CC BY
11
УДК 66-4
Жариков Е.В., Файков П.П., Штец Д.С.
ВЛИЯНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ НА СВОЙСТВА СИНТЕЗИРУЕМЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Жариков Евгений Васильевич д.х.н., профессор, заведующий лабораторией роста лазерных кристаллов Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН
Файков Павел Петрович к.т.н., доцент кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail: [email protected]
Штец Дарья Сергеевна студентка кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Установлен эффект благоприятного влияния на депозит углеродных наноструктур присутствия наноалмазов на их рост и возможность получения многослойных нанотрубок при использовании в качестве носителя никельсодержащего катализатора наноалмазов. Актуальность работы состоит в получении углеродных нанотрубок, при котором наноалмазы являются поверхностью для центров зародышеобразования, что впоследствии при введении в керамический композит должно способствовать увеличению его механических свойств.
Ключевые слова: многослойные углеродные нанотрубки; детонационные наноалмазы; углеродные наноматериалы; золь-гель методы.
INFLUENCE OF DETONATION NANODIAMNESS ON THE PROPERTIES OF SYNTHESIZED CARBON NANOTUBES
Zharikov Evgeny Vasilyevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Laser Crystals Growth Laboratory of the Institute of General Physics. A.M. Prokhorov RAS
Faykov Pavel Petrovich Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry and Technology of Crystals of the MUCTR D.I. Mendeleev, Moscow, Russia
Shtets Daria Sergeevna student of the Department of Chemistry and Technology of Crystals of the MUCTR D.I. Mendeleev, Moscow, Russia
The effect of a favorable effect on the deposit of carbon nanostructures in the presence of nanodiamonds on their growth and the possibility of obtaining multilayer nanotubes when using nickel-containing catalyst nanodiamonds as a carrier has been established. The relevance of the work consists in obtaining carbon nanotubes, in which nanodiamonds are the surface for nucleation centers, which later, when introduced into a ceramic composite, should contribute to an increase in its mechanical properties.
Keywords: multilayer carbon nanotubes; detonation nanodiamonds; carbon nanomaterials; sol-gel methods.
Углеродные нанотрубки (УНТ) на данный момент являются одним из немногих
наноматериалов, применяемых в широком спектре прикладных областей. Это объясняется уникальным набором интересных механических, электрических, магнитных и оптических свойств, проявляемых нанотрубками, таких как сверхпроводимость, высокая эмиссионная способность и устойчивость к механическим нагрузкам [1]. На данный момент активно ведется поиск и апробация новых возможных технологий получения нанотрубок, как можно более экономически выгодных и c получением более однородного депозита на выходе. Ранее «классическим» способом получения УНТ являлся синтез, проводимый с помощью вольтовой дуги, но на данный момент наибольшую продуктивность показывает синтез методом химического газофазного осаждения. Последний метод является предпочтительным для данной работы, поскольку позволяет проводить синтезы с
большим выходом продукта и не является столь требовательным в аппаратурном исполнении, нежели другие методы, позволяет, используя различные прекурсоры, получать УНТ, а также варьировать температуру и состав в процессе одного синтеза [2]. Более десяти лет УНТ применяются как наполнители для функциональных материалов на полимерной или металлической основах. А также в последнее время появляется все больше разработок по армированию нанотрубками технической керамики, что приводит к повышению упругости, прочностных и трещиностойкостных показателей материала. Известно, что введение небольших количеств УНТ улучшает такие свойства, как механическая прочность, вязкость разрушения, термическая стабильность, диэлектрическая проницаемость и электропроводность [3]. Исходя из всех найденных исследований, можно
предположить, что в совместном использовании детонационных наноалмазов (ДНА) и УНТ можно
выявить улучшение свойств композитов, армированных ими.
В данной работе был получен катализатор на основе нитратов никеля и иттрия в растворе поливинилового спирта (ПВС). Смесь нитратов и ПВС в 150 мл дистиллированной воды была нагрета до температуры кипения при непрерывном перемешивании и выдержана до состояния полной гомогенизации состава без видимых включений. Так как компоненты - водорастворимые соли и ПВС, предполагается, что гомогенизация в растворе происходит на молекулярном уровне, а аэрогель образуется уже в реакторе во время синтеза. В качестве подложки было принято взять пористые керамические трубки с внешним диаметром 10 мм, разрезанные вдоль и поперек так, чтобы получились «лодочки» длинной по 30 мм каждая. Было получено три образца: катализатор в виде раствора в ПВС; катализатор в виде раствора в ПВС с суспензией наноалмазов (0,5 масс. %); наноалмазы в суспензии той же концентрации. Четвертым образцом послужил порошок, состоящий из металлического никеля и ДНА. Он был в виде навески 0,05 г загружен в реактор.
Подложки по очереди (четвертый образец в виде навески) загружаются в лодочку реактора в его горячую зону. Далее реактор продувается инертом, одновременно с этим запускается нагрев. При достижении температуры в 950оС (температура синтеза) подается метан и отключается подача N2. Такая температура удерживается в течение часа. По окончании синтеза, реактор охлаждается в токе N2 (при этом отключают подачу СН4). Так, реактор охлаждают то температуры внутри него, составляющей < 3000о С. После отключают подачу N и оставляют остывать реактор до комнатной температуры. Далее разгружают реактор и взвешивают полученный продукт.
На рисунке 1 микроснимки образцов чистого катализатора на основе нитратов никеля и иттрия. Хорошо видны металлические частицы, покрытые аморфным углеродом, а также некоторая продольная структура. Предположительно, для образования самих УНТ могло не хватить времени или температуры.
Рис. 1. Электронные снимки образцов с катализатором
Микроснимки образцов, полученных из суспензии ДНА на подложке, излбражены на рисунке 2. Также, видна некоторая вытянутая структура, возможно нановолокно, причем наблюдается как будто верховой рост от металлической частицы. Точно сказать, откуда она там взялась, нельзя.
Рис.2. Снимки образцов с ДНА
Рисунок 3 - микроснимки образцов, в которых на подложку был нанесен прекурсор из суспензи ДНА + катализатор. Видны клубки волокнистых коленчатого вида структур с небольшим разбросом по диаметру и длине.
Рис. 3. Снимки образцов ДНА + катализатор
На рисунках 4 и 5 микроснимки образцов порошка металлического N1 и ДНА. Наблюдаются клубки УНТ в довольно большом количестве. Причем, трубки довольно прямые и с минимальными отложениями аморфного углерода на стенках. Средний диаметр трубок составляет 3033 нм.
Рис. 4. Снимки образца ДНА + N общего плана
депозита наблюдается у образцов с частицами никеля на поверхности наноалмазов (85%) и у образцов со смесью катализатора и наноалмазов (14%). В других образцах прирост незначительный (<12%). В депозитах, полученных на основе порошка наноалмазов с металлическими наночастицами никеля, присутствует большое количество многослойных углеродных нанотрубок с малыми отложениями аморфного углерода на стенках и остатками катализатора. Исходя из полученных данных, присутствие наноалмазов оказывает благоприятное влияние на рост многослойных нанотрубок. Присутствие
наноалмазов позволяет распределить активные частицы металлического никеля по большей поверхности, что способствует большему росту наноструктур.
Авторы выражают благодарность за помощь в проведении серии экспериментов Скудину Валерию Всеволодовичу, профессору кафедры химической технологии углеродных материалов.
5/16ИЛ7 Не: глад Ж/ 5ро1
11:17.41 РМ |.ПЗ 120 ООО к 9 I тт 20.00 № 3.0 2.49 цт
Рис. 5. Снимки образца ДНА + N в приближении
В ходе проделанной работы получены депозиты на основе четырех различных комбинаций катализатора и наноалмазов. Все депозиты содержат
некоторые процентном
углеродные соотношении
наноструктуры. В прирост по массе
Список литературы
1. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. Учебн. Пособие. - М.: Университетская книга, Логос, 2006. 375 с
2. Кузнецов В. Л.,. Угальцева А.Н, Мазов И.Н. Общие закoномерности формирoвания углеродных нанoструктур и нитевидных кристаллов карбида кремния на тверхности металлических катализаторов // Ж. Роа хим. об-ва им. Д.И. Менделеева 2004, т.48 , №5.
3. Кац, Е. А. Углеродные нанотрубки -фантастика наяву. [Текст]: ч. 1 //Энергия; экономика, техника, экология. - 2008. № 3. а 5-39.
