 |
Описание метода синтеза УНТ в лабораторной работе
|
|
|
|
Ø Синтез УНТ пиролизом углеводородов. В литературе эти методы называются ПХФО или ГФХО (паро- или газофазное химическое осаждение), а в зарубежной литературе CVD (chemical vapor deposition). Именно этот метод реализован в данной работе.
В лабораторной установке реализован аэрозольный метод получения УНТ на основе ферроцена и этанола. По способу организации процессы пиролиза можно разделить на две группы: с катализатором на носителе и с летучим катализатором. В первом случае активный компонент катализатора вводят в реакционную зону на подложке или носителе в твердом виде, во втором – в виде паров или растворов, распыленных в тонкие капли. В качестве паров используют карбонилы, фталоцианины, металлоцены и другие соединения металлов, в качестве растворов – например, карбонилы металлов в толуоле. В нашем случае – смесь ферроцена и этилового спирта.
Описание лабораторной установки.
Для роста УНТ и их осаждения в виде пленок (сеток) был выбран для реализации метод CVD с использованием в качестве источников углерода и катализатора, соответственно, этилового спирта и ферроцена.
Схема лабораторной установки приведена на (рис.8):
Рис. 8. Схема лабораторной установки
В реакторе используется печь ПТК-1, 2-40 со стабилизацией температуры в диапазоне 300–1200 °С и обогреваемой длиной равной 40 см. Температура в трубке реактора измеряется при помощи измерителя температуры Fluke 52 c хромель-алюмелевой термопарой (-200 °С - +1370 °С). Смесь спирта с ферроценом помещается в чашу небулайзера (ингалятора) для создания аэрозольных частиц. Поток аргона (500 см3/мин), проходя через чашу небулайзера, подхватывает аэрозольные частицы (диаметр частиц от 0.5 до 5 мкм.). Затем этот поток поступает в кварцевую трубу (с внутренним диаметром 22 мм) через охлаждаемый водой патрубок в зону высоких температур и смешивается с дополнительным потоком аргона (500 см3/мин). Выход патрубка находится в области трубы, стенки которой имеют температуру около 700 °С, что обеспечивает большой температурный градиент, необходимый для быстрого нагрева парогазовой смеси. УНТ, синтезируемые этим методом, собираются либо пропусканием потока через фильтр, либо осаждаются на охлаждаемом водой патрубке на выходе из реактора. Синтез проводится при температуре в реакторе около 900 °С.
|
|
|
Порядок выполнения работы
Перед началом работы необходимо включить нагревательную установку, выставить необходимую температуру нагрева печи, при этом следует учитывать, что температура в реакторе не совпадает с установочной температурой нагрева установки и отличается примерно на 60-90 градусов. Для точной корректировки температуры синтеза следует воспользоваться градуировочными графиками, представленными на (рис.10).
Рис.9. Общий вид системы осаждения УНТ на фильтр.
Рис.10. Распределение температур внутри зоны нагрева установки.
1. Открыть кран для циркуляции воды по охлаждаемому наконечнику.
ВНИМАНИЕ: В процессе нагрева печи, выполнения эксперимента, а также после выключения установки до ее полного остывания периодически проверять воду.
2. Установить необходимую температуру синтеза (825 °С), нажать кнопку НАГРЕВ, произойдет щелчок, загорится индикатор нагрева.
ВНИМАНИЕ: Примерное время нагрева и установка необходимой температуры составляет 1.5-2 часа.
3. Подготовить реакционную смесь необходимой концентрации, для этого в отдельном сосуде смешать необходимые растворы ферроцена в спирте и самого этилового спирта.
Минимальный объем – 20 мл.
4. При помощи шприца добавить полученную смесь в чашу небулайзера. Уровень жидкости в небулайзере должен быть между верхней и нижней метками.
|
|
|
При опускании уровня смеси до уровня нижней отметки дальнейшее функционирование небулайзера может привести к его поломке, поэтому необходимо своевременно заранее добавлять реакционную смесь.
5. Через час-полтора после включения печи на нагрев подать аргон. Для этого поворачивать вентиль на редукторе газового баллона.
6. Выставить с помощью расходометров Р1 и Р2 необходимые расходы газа, при этом обратите внимание что Р1, контролирующий внешний расход находится на лабораторном стенде слева и его шкала допускает установку значения расхода в пределах 0-500 см3/мин. Необходимо установить значение 500.
Р2 справа, в свою очередь контролирующий внутренний расход газа (через чашу небулайзера), изменяется в пределах 0-5 л/мин (ВНИМАНИЕ: литров!). Выставите необходимое значение.
7. Когда температура печи достигнет необходимого значения и установится через 15 минут, можно начинать эксперимент.
8. Поместите нитроцеллюлозный фильтр в фильтродержатель, закрутите его.
9. Система осаждения УНТ имеет 2 режима работы: осаждение непосредственно на фильтр и выброс продуктов реакции на утилизацию (рис 9).
Во втором режиме КРАНЫ 2 и 3 должны находиться в ПОЛОЖЕНИЯХ 2 и 1 соот-но.
Для осаждения УНТ на фильтры эти краны должны быть перевернуты в ПОЛОЖЕНИЕ 1 и 2 соот-но, причем поворот следует делать одновременно.
10. Для получения УНТ включить небулайзер, при этом следует помнить что время непрерывной работы ограничено 8 минутами, после которых устройство перед следующим включением должно 5 минут быть выключено. Реакционная смесь при этом начнет превращаться в аэрозоль.
11. Повернуть Кран 1 в положение 2 (чтобы пустить внутренний расход газа непосредственно через небулайзер для подхватывания аэрозольных частиц).
12. Примерно через 30 секунд после выполнения п.11 одновременно повернуть КРАН 2 в ПОЛОЖЕНИЕ 1, а КРАН 3 в ПОЛОЖЕНИЕ 2.
13. Засечь необходимое время осаждения по таймеру, после повернуть КРАНЫ 2 и 3 в исходные положения, отключить небулайзер и повернуть КРАН 1 в положение 1.
14. Повторить п.11-п.14 для достижения необходмой толщины образца.
15. После завершения эксперимента закрыть подачу аргона, открыть фильтродержатель ОСТОРОЖНО! Извлечь фильтр и переложить его в емкость для хранения образцов.
|
|
|
16. Отключить нагрев печи, отключить печь.
17. Заполнить журнал экспериментов.
Вопросы к допуску:
1. Порядок работы на установке для синтеза УНТ CVD-методом.
2. Сколько миллилитров раствора ферроцена 1/200 г/мл и мл этанола необходимо смешать для того, чтобы получить реакционную смесь с концентрацией ферроцена 1/1600 г/мл? (объем реакционной смеси принять за 20 мл)
Контрольные вопросы и задачи.
1. Расскажите о методах синтеза УНТ, дайте сравнительную характеристику.
2. Расскажите о свойствах УНТ.
3. Расскажите о механизме роста углеродных нанотрубок.
4. Определите среднее время пролета каталитической частицы в зоне реакции, если внутренний расход газа принять равным 0.5 л/мин, а внешний - 500 см3/мин. Внутренний диаметр трубы 1 см, длина трубы 40 см.
Список литературы
1. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2010. - 452 с.
2. Евдокимов А.А. и др. (под ред. А.С. Сигалова) Получение и исследование нано-структур: лабораторный практикум по нанотехнологиям – / М: БИНОМ Лабора-тория знаний, 2010. – 146 с.
3. Суздалев И.П. Нанотехнологии: Физико-химия нанокластеров, нано-структур и наноматериалов. – Эдиториал УРСС. 2006.
Статьи в журналах
1. С.Д. Шандаков, М.С. Рыбаков, А.В. Кособуцкий, О.Г. Севостьянов, Н.С. Звиденцова, А.Н. Гутов, М.В. Ломакин, И.В. Аношкин. Контролируемый рост ОУНТ с использованием аэрозоля этанола и ферроцена // Российские нанотехнологии. – 2012 – Т.7. – №7-8. – С. 56-60.
2. А.Г. Насибулин, С.Д. Шандаков, М.Ю. Заводчикова, Э.И. Кауппинен. Аэрозольный синтез однослойных углеродных нанотрубок и их применение // Успехи химии. – 2011. – Т. 80, №8. – С. 805-820.
Лабораторная работа № 2
|
|
|
