برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۱۰۷
  • بازدید این ماه ۸۲
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

تولید نانولوله‌های کربنی بر مبنای منبع کربن گازی

در جلسه قبل دو روش تولید نانولوله‌های کربنی برمبنای استفاده از کربن جامد مورد بررسی قرار گرفتند. این دو روش تابش لیزری و تخلیه قوس الکتریکی هستند. در این جلسه روش‌های تولید نانولوله بر مبنای منبع کربن گازی توضیح داده می‌شوند و در پایان مکانیسم‌های رشد نانولوله‌ها حین تولید بیان می‌گردند.
1- روش های تولید نانولوله های کربنی بر مبنای منبع کربن گازی

سنتز نانولوله‌های کربنی بر مبنای رسوب شیمیایی کاتالیستی بخار (CCVD) شامل تجزیه منبع کربنی روی ذرات یا خوشه‌های کوچک فلزی (به عنوان کاتالیست) است (شکل1). این روش شامل فرآیند هتروژن و هموژن می‌باشد. فلزات مورد استفاده برای این واکنش‌ها فلزات واسطه هستند، مانند آهن، کبالت، نیکل. در مقایسه با تخلیه قوس الکتریکی و سایش لیزری، نانولوله‌های کربنی عموما در دمای پایین‌تری حدود 600 تا 1000 درجه تشکیل می‌شوند. عموما انتخاب‌پذیری این روش برای تولید نانولوله‌های کربنی چند دیواره بیشتر است. هر دو فرآیند هموژن و هتروژن به ماهیت و ساختار کاتالیست مورد استفاده علاوه بر شرایط عملیاتی بسیار حساس هستند. نانولوله‌های کربنی تولید شده با این روش در مقایسه با روش قوس الکتریکی طول (چند ده تا چند صد میکرومتر) و نقص بیشتری دارند. نقص بیشتر نانولوله‌ها به دلیل استفاده از دمای کمتر در مقایسه با روش قوس الکتریکی است که اجازه هیچ بازآرایی ساختاری را نمی‌دهد. این نواقص می‌تواند با عملیات گرمایی در خلاء یا اتمسفر خنثی حذف شود. این مساله برای نانولوله‌های کربنی تک دیواره هنوز مورد سوال است. 

در مقایسه با روش‌های مبتنی بر منبع کربنی جامد، این روش ساده و اقتصادی‌تر بوده و به فشار کمتری نیاز دارد. از دیگر قابلیت‌های این روش می‌توان به قابلیت بالا آن در کنترل پارامترهای فرآیند سنتز مانند کنترل بهتر مکان رسوب دهی، ضخامت و نرخ رشد نانولوله‌ها اشاره کرد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1: نمایی از دستگاه CCVD و تصویری از نانولوله‌های چنددیواره و تک دیواره تولید شده با این روش

1-1- روش هتروژن CCVD

در این روش گاز هیدروکربنی (عمدتا CH4, C2H2, C2H4, C6H6) از روی ذرات کوچک کاتالیست فلزی (Fe, Co, Ni) روی زیرلایه در کوره عبور می‌کند (شکل2). واکنش موجود در این روش یک واکنش کراکینک حرارتی شدت یافته با کاتالیست فلزی است:
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
دو شیوه عمده برای افزودن کاتالیست به زیرلایه وجود دارد:

1- آغشته کردن زیرلایه با محلول نمکی کاتالیست فلزی مطلوب
این روش شامل مراحل زیر است:
- آغشته کردن زیرلایه با یک محلول نمکی (نیترات یا کلرید) کاتالیست فلزی
- خشک کردن و کلسینه کردن کاتالیست که منجر به اکسید شدن فلزات کاتالیستی می‌شود.
- کاهش اکسید فلزی به ذرات فلزی در محیط حاوی H2
- تجزیه گاز هیدروکربنی با عبور از روی کاتالیست و رشد نانولوله‌ها

2- آماده سازی یک محلول جامد از یک اکسید فلز کاتالیستی در بستر یک اکسید میزبان (به عنوان زیرلایه) که از نظر شیمیایی خنثی و از نظر حرارتی پایدار است. در واقع این محلول جامد از پراکندگی همگن یک اکسید فلزی در اکسید فلزی دیگر بدست می‌آید. در بسیاری از پژوهش‌ها از محلول جامد Mg1-xMxAl2O4 و Mg1-xMxO که M می‌تواند آهن، کبالت، نیکل و یا آلیاژ دوگانه باشد، استفاده می‌کنند. در این روش، ابتدا محلول جامد از دمای اتاق تا محدوده دمایی 850 – 1050 درجه سلسیوس در یک محیط H2 و CH4 گرم می‌شود. مشخصه نانولوله‌های کربنی تولید شده به ماهیت فلز واسطه (یا آلیاژ) و اکسید خنثی (اکسید میزبان یا شبکه) بستگی دارد. 

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل2: تشکیل نانولوله با روش CCVD (1) تشکیل ذرات کاتالیست فلزی با کاهش پیش‌ماده (2) تجزیه کاتالیستی گاز حاوی کربن که منجر به رشد نانولوله‌های کربنی می‌شود. (3) حذف کاتالیست و جمع‌آوری نانولوله‌های کربنی

2-1- روش هموژن

در این فرآیند فقط به گونه‌های گازی نیاز است و هیچ فاز جامدی در راکتور موجود نیست. در این روش نیز مانند سایر روش‌ها، منبع کربنی (اتیلن، بنزن، کربن مونو اکسید و ...) روی فلزات واسطه نانویی (مانند آهن، کبالت، نیکل) تجزیه شده و نانولوله‌های کربنی رشد می‌کند. در این روش برخلاف روش هتروژن، ذرات کاتالیستی مستقیما در راکتور تشکیل می‌شود.

راکتور رایج در این روش، یک لوله کوارتز واقع شده در آون است که در آن خوراک گازی حاوی پیش ماده فلزی، منبع کربن، هیدروژن و جریانی از یک گاز خنثی (نیتروژن، آرگون یا هلیوم) موجود می‌باشد. منطقه اول راکتور در دمای پایین نگه داشته می‌شود. منطقه دوم در محدوده دمای 700 تا 1200 درجه است. در این منطقه منبع کربنی به اتم‌های کربن تجزیه شده و نانولوله‌های کربنی تشکیل می‌شود. پیش ماده فلزی عموما یک ترکیب فلزی-آلی مانند Fe(CO)5 است. مشکل عمده این روش کنترل اندازه نانوذرات فلزی و تشکیل نانولوله همراه با فازهای نامطلوب است.  

3-1- روش قالبی

روش جالب دیگر برای تولید نانولوله‌های کربنی بر مبنای منبع گازی کربن استفاده از قالب است. این روش نیز علاوه بر قوس الکتریکی قابلیت تولید نانولوله‌های کربنی را بدون استفاده از کاتالیست دارد. بنابراین این روش درگیر ناخاصی‌های فلزی کاتالیستی نخواهد بود. یکی دیگر از مزایایی این روش امکان تولید نانولوله‌های موازی بدون استفاده از هر پیش‌ماده کمکی است. در هر حال قالب باید برای بازیابی نانولوله‌ها حذف شود. که در این موارد جهت‌مندی آنها از دست می‌رود. 

در این روش کربن جامد روی دیوارهای زیرلایه متخلخل که حفره‌هایی به صورت کانال‌های موازی دارد، رسوب می‌کند. خوراک مانند روش‌های دیگر منبع رایج کربن است. زیرلایه می‌تواند آلومینا یا زئولیت باشد. کل سیستم برای تشکیل نانولوله‌ها تا دمای خاصی گرم می‌شود. اگر مکانیسم تجزیه بخار شیمیایی به خوبی کنترل شود، امکان تولید نانولوله‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره وجود خواهد داشت. یک مشخصه اصلی این روش باز بودن هر دو انتهای نانولوله کربنی است که می‌تواند بسته به کاربرد به عنوان مزایا و یا معایب این روش باشد. یکی از معایب باز بودن انتهای نانولوله، حساسیت بیشتر آنها به فرایندهای شیمیایی لازم برای حذف قالب است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل3: اساس تکنیک قالب‌زنی برای تشکیل نانولوله‌های تک دیواره یا چند دیواره بدون استفاده از کاتالیست

1- مکانیسم رشد نانولوله‌ها

دما مهم‌ترین اختلاف بین روش‌های مبتنی بر منبع گازی و جامد است. در CCVD معمولا از دمای کم استفاده شده و نانولوله‌ها در دمای زیر 1000 درجه رشد می‌کنند. بیش از یک مکانیسم می‌تواند بسته به نوع پیش مواد گازی، کاتالیست مورد استفاده و پارامترهای عملیاتی در رشد نانولوله کربنی دخیل باشد. مکانیسم انحلال-نفوذ-رسوب از رایج‌ترین آنهاست که بیشتر در روش‌های دما پایین حاکم است. در این مکانیسم، نانوذرات کاتالیستی از آلیاژهای فلزی یا فلزات واسطه (مانند نیکل، آهن و کبالت) به صورت کروی و یا شناور بر سطح زیرلایه در نظر گرفته می‌شوند. بخار هیدروکربنی (مانند CO، CH4، C2H2، C2H4 و C2H6) وقتی با ذرات داغ کاتالیست تماس برقرار می‌کند به کربن و هیدروژن تجزیه شده و کربن در فلز بستر نفوذ می‌کند. وقتی اتم کربن در کاتالیزور به مقدار فوق اشباع رسید، رسوب و رشد نانولوله‌های کربنی آغاز می‌شود. اگر تعامل کاتالیزور با بستر ضعیف باشد (فلز با بستر دارای زاویه تماس حاد باشد)، نانولوله در پایین کاتالیزور (tip growth) (شکل4 الف) و اگر تعامل کاتالیزور با بستر قوی باشد (فلز با بستر دارای زاویه تماس باز باشد)، نانولوله در بالای کاتالیزور رشد می کند (base growth) (شکل4 ب). در حالت اول امکان تولید نانولوله با یک سر باز وجود دارد.

شکل فیزیکی‌کربن رسوب کرده (نانولوله کربنی تک دیواره، چنددیواره، آمورف و لایه گرافیتی پوشش دهنده نانوذرات کاتالیست) به عوامل زیادی مانند اندازه ذرات کاتالیستی، نرخ رسوب بستگی دارد. وقتی نرخ رسوب برابر و یا کمتر از نرخ نفوذ کربن است، لایه گرافیتی اطراف نانوذرات کاتالیستی تشکیل می‌شود. وقتی نرخ رسوب بیشتر از نرخ نفوذ کربن است، نانولوله کربنی شکل می‌گیرد. اندازه نانوذرات کاتالیستی نقش مهمی را در رشد نانولوله‌ها ایفا می‌کند (شکل5). عموما نانوذرات کاتالیستی با اندازه کوچک (کمتر از 20 نانومتر) برای هسته زایی و رشد نانولوله کربنی فعال هستند. اگر اندازه ذرات در حد یک نانومتر باشد، نانولوله تک دیواره شکل می‌گیرد. نانوذرات کاتالیستی با اندازه 10 تا 50 نانومتر منجر به رشد نانولوله چند دیواره می‌شوند. همچنین نانوذرات کاتالیستی با اندازه بزرگتر از 50 نانومتر با ورقه‌های آمورف گرافیتی پوشش داده می‌شوند. شکل 6 نمایی از تاثیر ساختار کریستالی کاتالیست را بر شکل نانورشته کربنی نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل4: رشد نانولوله‌های کربنی در حالت الف- base growth ب- tip growth



filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 5: تاثیر اندازه کاتالیست بر تولید نانولوله‌های کربنی

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل6: نمایی از رابطه بین موفولوژی خارجی کاتالیست کریستالی و بافت درونی نانورشته‌های کربنی تولید شده

2- نتیجه‌گیری

روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی به دو دسته کلی روش‌های مبتنی بر منبع کربنی جامد و گاز تقسیم‌بندی می‌شود. عموما روش‌های CCVD در مقایسه با منبع کربنی جامد از دمای پایین‌تری برای تولید نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کنند. شناخت مکانیسم تولید نانولوله‌های کربنی به منظور بهینه‌سازی مشخصه‌های آن، یک رویکرد بسیار مهم است. پارامترهای زیادی از قبیل اندازه ذارت کریستالی، نوع زیرلایه و نرخ رسوب در این مکانیسم‌ها دخیل هستند. اندازه کاتالیست یکی از فاکتورهای مهم و تاثیرگذار بر مشخصه نانولوله کربنی تولید شده است و با تغییر آن می‌توان نانولوله‌های کربنی چند دیواره و تک دیواره تولید نمود. برخی از روش‌ها مانند قوس الکتریکی و قالب قابلیت تولید نانولوله‌های کربنی را در غیاب کاتالیست دارند که منجر به تولید محصولات با خلوص بالاتر می‌شوند. 

منابـــع و مراجــــع

M. Monthioux et al., Nanostructures, Micro-/Nanofabrication and Materials: introduction to carbon nanotubes

Ch. .Bhattacharjee and A. Nath, Review article Chemical vapour deposition (CVD) technique and the synthesis of carbon nano materials (CVMs).

M. Kumar and Y. Ando, Review article Chemical vapour deposition of carbon nano tubes: a review in growth mechanism and mass production

M. Kumar and Y. Ando, Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production

www.wikipedia.org