нанотрубки (Углеродные нанотрубки), страница 12

Схсма усшнОВки для элсктродуГОВОГО мстодй, ПО(шза>!Иая нй рис. 17, 6, позволяет увеличить производительность, Дуговой разряд постоянного тока (7> = Г>0 А; 1~„= 20...30 В) создают при постоянном промежутке мся<ду вертикально расположенными в жидком азотс графитовыми катодом диаметром 1,2 см и анодом диаметром 0,6 см.

Осадок из материала анода, покрывающий дно камеры, состоит в основном из четырх — восьми слоев УНТ, практически не требующих очистки. Выход материала, содержащего ) УНТ, составляет 44 я!ТАМИИ в расчете на ! см плошади поверхности анода, а расход жидкого азота — 0,2 ЛА!Ин. При отсутствии катализатора получены толы<о многослойные УНТ (2, 8, 91 Нанотрубки имели внутренний диаметр 1...3 нм, длину 1 мкм, содержали от нескольких единиц до несколыа>х десятков коаксиальных графитовых слоев. Наружный диаметр иаВотрубок составлял 2...25 нм 18). В ранней работе 121 Отмечается, что многослойныс УНТ имели длину 40 нм и были собраны в пучкя диаметром 50 мкм.

В более поздней работе !10! упоминается о воз>!Ожност>! Получсния МИОГослойных УНТ со с(уедним дияыст" ром 20 нм и длиной до !О мкм. Такие различия Обусловлены мостом преимущественного образования УНТ. В работе !2! это катод, ий котором собирали до 90 % удаляемой массы анода с выходом УНТ до 60 %. При этом ток дуги составлял ! 10... 130 А, ПО"ВпдиыОму, эти разли1>ия сВязаны с различием поставленных зяда11. В ранних работах исследовали возможности процессов, а в поздних отрабатывали режимы получения УНТ В граммовых кояячествах.

Распределения УНТ по размерам и углу хиральности критическим образом зависят от условий горения дуги и не воспроизводятся от одного эксперимента к другому !! О!. При получении УНТ катализатором служили атомы и оксиды редкоземельных металлов, в частности гадолиния, Кроме того, в качестве катализаторов применяли как отдельные химические элсмеиты (Со, М. Ге. СО.

Мл, 11, В, 81, Сг, Ул), Р((, А8, ">>), Р(, У, 1.о), так и нх двойные и тройныс смеси. В зависимости от схемы процесса мслкодисперсный металлический катализатор, смешанный с лорошкообрйзным амор<!)Ныы углеродом, помсща)от В Отверстие ~оло~о анода или доба~~~ю~ В ьштериял ~~ода при его изготовлении. Параметры УНТ. содержание частиц, форма и размеры оболочек, Й также хпмнчес(О>й сос~а~ и кристаллическая стр) ктура за- кл10ченнОГО В них яштсриаля заВисят От металла катализатора и параметров дугового разряда. В работе !2! Отмечено, что однослойные УНТ диаметром 0,79 нм получены при использовш(ии в кй~>сствс катализатора смсш( СОО с (>(1 (диаметр частиц ! 00 нм) и графита в молярном соотношении 1:4:95.

Катализатор рязмсщйли В ОссВОМ ОтВсрстР>и анода с Барух< иым диаметром 6 мм. Горение электрической дуги проходило в режиме 7« = !00 А: Р« = 50 В, давление гелия 03)65 МПа. Кроме лерс'шслсн>(ых состЙВляю!цих сажа содсржала таю!<с мсГалличс- 60 Г>! ские частицы, заключсииые внутри одной или нескольких графитовых оболочек. Наиболее высоким содержаниеь> однослойных УНТ отличается внешняя цилиидрическая область катодиого остатка, Материал, образующийся иа водоохлаждаемых участках стенки газоразрядиои камеры, имеет ткаиеподобный вид, характеризуется гибкостью, легко отделнется от стенки и содержит до 25%УНТ Применение металлов группы железа в качестве катализаторов способствует получению однослойных УНТ, Отмечается„что многослойные УНТ отрастают от поверхности катода„а однослайиые образуются в газовой среде.

Одиослойиыс УНТ с катализатором — я>слезам получают в условиях, близких к оптимальным условиям получения фуллеренов, Электроды располага>от всртикальио, верхний анод имеет диаметр 10 мм. Катализатор закладывают в полость катода диаметром 20 мм. Дуга горит при Р'„= 20 В и Х„= 200 А в смеси метана и аргоиа. При испарении железа образу>атея частички карбида железа, кондеисирующиесн иад катодом (2), Диаметр УНТ составляет О„?5...13 им„максимальиая длила 700 им.

Наибольшая эффективиость получения однослойных УНТ достигнута при использоваиии смешанных катализаторов, в состав которых входят два металла группы железа, например, Рс/Н1, Са/М. Наблюдались связки по 5 — 15 однослойных УНТ диаметром 0,9 „, 3,1 им и длиной свыше 5 мкм (2!. Для повышеиия производительности процесса и сиижеиин себестоимости конечного продукта электроды устаиавлива>ат пад углом 30' друг к другу, а >атализатор подают в зону горсиия дуги, вводя его в материал авода в качестве примеси % (4 %) и У (1 %). Эта приводит к образоваиию в окрестиостнх электродов плазмеинай струи с поперечным размером в несколько сантиметров. Струя способствует удалению сажи с поверхности катода, иитоисивиому образованию тканеподобиого осадка иа стенках каморы и повышсишо выхода однослойных УНТ. Сиитсз У1-ГГ выполняли при токе разряда 50... 100 А и давлсиии гелия 0,05...

0,09 МПа. Это позволило достичь аномально большой производительности процесса (2). Установлено, что при электродуговом методе получения УНТ максимальная скорость испареиия анода 1,24 г/мии достигастсн при токе дуги 100 А, причем 80 % теряемой анодом массы прихо- и>с>з иа долю ткаиеподобиого осадка иа стенках камеры, содср,цего до 50 % связанных в жгуты однослойных УНТ диаметром ! 28, 1,52 им. Доля торцевой части анода составляет до 6 % всей терна>>ой массы.

Кроме УНТ в осадке содер>катся частицы металла, аморфного утлерода и чешуйки графитового слоя. Аблиция графита с помощью лазериого или солнечного облучеиия — уиос вещества с поверхиости твердого тела потоком горячего газа. Этот метод термического распыления графита в атмосфере буфсриога газа использован в работа С Ииджимы, приведшей к открытию фуллеренов )4!. Установка (рис. 19, а) включает графитову>а мишель диаметрах> 2,5 см, помещеипую в кварцевую трубку„котаран распаложсиа в печи, нагретой до температуры 1000 'С (8! или 1200 'С ! 2. 10 ), Буферный газ при давлеипи 0,066 МПа прокачивали чсрсз трубку с небольшой скоростью.

Мишсиь облучали 1Чс1-лазером с эиергисй луча 140 мД>к, длиной волны первой гармоиики Х = 0,532 лп<м, длительностью импульса 8 ис и диаметрам пятна сфокусироваииого луча 1,6 мм (площадь 2 мм ), Праду>ггы термического распыления, содср>кашпо фуллсрсиы, графитовыа частицы иаиомстровых размеров и миогослойныо (4 — 24 слоя) УНТ длиной до 300 им, уносились газам пз горячей области и осаждались иа водоохлаждасмой поверхности медного коллектора, Для получсипн однослойных УНТ катализатор в видо двойных сплавов %. Со.

Гс, У и Р1 массой 1...2 ат. % вводилп в мишель. Частицы катализатора служат зародышами образоваиин иаиатр) бак !9!. Осадок содержит да 90 % однослойных УНТ, а также иаиочастиць> и частицы аморфиого углсрода )8!. Особсииостью лазерного метода получс>шя УНТ являстсн высокая чувствитсльиость характеристик сиитсзпруомых УНТ к параметрам лазсриого излучсиин. Оиа выражается в зависимости среднего диаметра УНТ от пиковой мощности лазсриого излучсн>сь Так, при длитсльиости импульсов 575 ис, которан соответствует пиковой иитснсивиостп облучси>ш 0,2 МВт/см, преобладают УНТ диаметром 1,22 им с >п>ральиостью (9, 9) п диаметром 1,08 им с хиральнастыа (8, 8) При росте пиковой и>зпсисивиости азлучсиия до 0,9 МВт/см увеличивается количество УНТ с хиральиостью (8, 8) и в небольшом количестве поня:шютсн УНТ диаметром 1.35 им с хиральиостью (10, 1()). При з>ом срсдюпй Г>2 диаметр УНТ уменьшается, При дальнейшем росте интснсивностн излучения до 1,5 МВт/см преобладшот УНТ диаметром 1,08 нм е хнральностью [8, 8).

Результат указывает на возможность напрев. ленного синтеза УНТ. Целесообразно облучать мишени двумя пс. следовательнымн импульсами„обеспечивающими лучший прогрев мишени. В результате получаются УНТ с распределением диамет. ров с максимумом 1,4 нм и хнральностью [10, 10), объединенные в жгуты диаметром 1О нм, ПРи полУчении однослойных УНТ диамстРом 1,3... 1,4 нм аб ляцией графита применяли прессованную и спеченную мишень из порошковой смеси графитовой пудры с размером частиц 4 мкм и мелкодисперсного катализатора из Со и )ч)1 с содержанием 0,6 ат.