Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты

Исследована низкотемпературная кинетика сорбции и последующей десорбции газов ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne, N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок с закрытыми концами. Характерные времена процессов сорбции и десорбции совпадают в пределах погрешности эксперимента. Отжиг образца жгутов при 500 °С сущес...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Долбин, А.В., Есельсон, В.Б., Гаврилко, В.Г., Манжелий, В.Г., Винников, Н.А., Баснукаева, Р.М., Ясковец, И.И., Уварова, И.Ю., Данильченко, Б.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2014
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Наноструктуры при низких температурах
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/119441
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты / А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, Р.М. Баснукаева // Физика низких температур. — 2014. — Т. 40, № 3. — С. 317-323. — Бібліогр.: 43 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-119441
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1194412017-06-07T03:04:39Z Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты Долбин, А.В. Есельсон, В.Б. Гаврилко, В.Г. Манжелий, В.Г. Винников, Н.А. Баснукаева, Р.М. Ясковец, И.И. Уварова, И.Ю. Данильченко, Б.А. Наноструктуры при низких температурах Исследована низкотемпературная кинетика сорбции и последующей десорбции газов ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne, N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок с закрытыми концами. Характерные времена процессов сорбции и десорбции совпадают в пределах погрешности эксперимента. Отжиг образца жгутов при 500 °С существенно понизил характерные времена и изменил их температурную зависимость. Влияние отжига уменьшалось с увеличением молекулярного веса растворенного газа. При температурах ниже 16 К времена сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂ слабо зависели от температуры, что позволило сделать предположение о туннельном характере сорбции этих примесей жгутами нанотрубок. Влияние облучения γ-квантами жгутов нанотрубок на сорбцию и десорбцию водорода качественно подобно упомянутому влиянию отжига. Досліджено низькотемпературну кінетику сорбції та наступної десорбції газів ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne, N₂ джгутами одностінних вуглецевих нанотрубок із закритими кінцями. Характерні часи процесів сорбції і десорбції збігаються в межах помилки експерименту. Відпал зразка джгутів при 500 °С суттєво понизив характерні часи та змінив їх температурну залежність. Вплив відпалу зменшувався зі збільшенням молекулярної ваги розчиненого газу. При температурах нижче 16 К часи сорбції ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂ слабко залежали від температури, що дозволило зробити припущення про тунельний характер сорбції цих домішок джгутами нанотрубок. Вплив опромінення γ-квантами джгутів нанотрубок на сорбцію та десорбцію водню якісно подібний згаданому впливу відпалу The low-temperature kinetics of sorption of ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne, N₂ gases by bundles of singlewalled carbon nanotubes with closed ends (c-SWNT) and the subsequent desorption of these gases from the c-SWNT bundles has been investigated. The characteristic times of the sorption–desorption processes coincide within the experimental error. The prior annealing of the SWNT samples at T = 500 °C reduced significantly the characteristic times and changed their temperature dependences. The effect of annealing decreased with increasing the molecular weight of the dissolved gas. Below 16 K the times of ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂ sorption were only slightly dependent on temperature, which suggests a tunnel character of the sorption of these impurities by c-SWNT bundles. The influence of irradiation of c-SWNT bundles with γ quanta upon H₂ sorption is qualitatively similar to annealing effect. 2014 Article Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты / А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, Р.М. Баснукаева // Физика низких температур. — 2014. — Т. 40, № 3. — С. 317-323. — Бібліогр.: 43 назв. — рос. 0132-6414 PACS 68.43.Jk, 68.43.Mn, 61.46.Fg http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/119441 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Наноструктуры при низких температурах Наноструктуры при низких температурах
spellingShingle	Наноструктуры при низких температурах Наноструктуры при низких температурах Долбин, А.В. Есельсон, В.Б. Гаврилко, В.Г. Манжелий, В.Г. Винников, Н.А. Баснукаева, Р.М. Ясковец, И.И. Уварова, И.Ю. Данильченко, Б.А. Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты Физика низких температур
description	Исследована низкотемпературная кинетика сорбции и последующей десорбции газов ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne, N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок с закрытыми концами. Характерные времена процессов сорбции и десорбции совпадают в пределах погрешности эксперимента. Отжиг образца жгутов при 500 °С существенно понизил характерные времена и изменил их температурную зависимость. Влияние отжига уменьшалось с увеличением молекулярного веса растворенного газа. При температурах ниже 16 К времена сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂ слабо зависели от температуры, что позволило сделать предположение о туннельном характере сорбции этих примесей жгутами нанотрубок. Влияние облучения γ-квантами жгутов нанотрубок на сорбцию и десорбцию водорода качественно подобно упомянутому влиянию отжига.
format	Article
author	Долбин, А.В. Есельсон, В.Б. Гаврилко, В.Г. Манжелий, В.Г. Винников, Н.А. Баснукаева, Р.М. Ясковец, И.И. Уварова, И.Ю. Данильченко, Б.А.
author_facet	Долбин, А.В. Есельсон, В.Б. Гаврилко, В.Г. Манжелий, В.Г. Винников, Н.А. Баснукаева, Р.М. Ясковец, И.И. Уварова, И.Ю. Данильченко, Б.А.
author_sort	Долбин, А.В.
title	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты
title_short	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты
title_full	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты
title_fullStr	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты
title_full_unstemmed	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты
title_sort	кинетика низкотемпературной сорбции ³не, ⁴не, н₂, d₂, ne и n₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. квантовые эффекты
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Наноструктуры при низких температурах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/119441
citation_txt	Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты / А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, Р.М. Баснукаева // Физика низких температур. — 2014. — Т. 40, № 3. — С. 317-323. — Бібліогр.: 43 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT dolbinav kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT eselʹsonvb kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT gavrilkovg kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT manželijvg kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT vinnikovna kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT basnukaevarm kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT âskovecii kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT uvarovaiû kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty AT danilʹčenkoba kinetikanizkotemperaturnojsorbcii3ne4nen2d2nein2žgutamiodnostennyhuglerodnyhnanotrubokkvantovyeéffekty
first_indexed	2025-07-08T15:52:45Z
last_indexed	2025-07-08T15:52:45Z
_version_	1837094632656207872
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3, c. 317–323 Кинетика низкотемпературной сорбции 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne и N2 жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, Р.М. Баснукаева Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Ленина, 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: dolbin@ilt.kharkov.ua И.И. Ясковец, И.Ю. Уварова, Б.А. Данильченко Институт физики НАН Украины, пр. Науки, 46, г. Киев, 03680, Украина Статья поступила в редакцию 26 июня 2013 г. Исследована низкотемпературная кинетика сорбции и последующей десорбции газов 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne, N2 жгутами одностенных углеродных нанотрубок с закрытыми концами. Характерные времена процес- сов сорбции и десорбции совпадают в пределах погрешности эксперимента. Отжиг образца жгутов при 500 °С существенно понизил характерные времена и изменил их температурную зависимость. Влияние от- жига уменьшалось с увеличением молекулярного веса растворенного газа. При температурах ниже 16 К времена сорбции 3Не, 4Не, Н2, D2 слабо зависели от температуры, что позволило сделать предположение о туннельном характере сорбции этих примесей жгутами нанотрубок. Влияние облучения γ-квантами жгутов нанотрубок на сорбцию и десорбцию водорода качественно подобно упомянутому влиянию отжига. Досліджено низькотемпературну кінетику сорбції та наступної десорбції газів 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne, N2 джгутами одностінних вуглецевих нанотрубок із закритими кінцями. Характерні часи процесів сорбції і десорбції збігаються в межах помилки експерименту. Відпал зразка джгутів при 500 °С суттєво понизив характерні часи та змінив їх температурну залежність. Вплив відпалу зменшувався зі збільшенням моле- кулярної ваги розчиненого газу. При температурах нижче 16 К часи сорбції 3Не, 4Не, Н2, D2 слабко зале- жали від температури, що дозволило зробити припущення про тунельний характер сорбції цих домішок джгутами нанотрубок. Вплив опромінення γ-квантами джгутів нанотрубок на сорбцію та десорбцію вод- ню якісно подібний згаданому впливу відпалу. PACS: 68.43.Jk Диффузия адсорбатов, кинетика укрупнения и агрегации; 68.43.Mn Кинетика адсорбции; 61.46.Fg Нанотрубки. Ключевые слова: углеродные нанотрубки, квантовая диффузия, кинетика сорбции. Введение С момента открытия углеродные нанотрубки при- влекают большой интерес как с фундаментальной, так и практической точки зрения, в частности, для хранения и изоляции газов и токсических веществ [1], разделения изотопов и ионов [2], в качестве матриц для изучения свойств одномерных объектов [3] и т.д. Одной из важ- нейших причин, обусловивших такой интерес, является необычная геометрия углеродных нанотрубок. Наибо- лее простой является одностенная углеродная нано- трубка (ОУНТ). Она представляет собой моноатомный углеродный слой, который состоит из шестиугольных связанных углеродных ячеек (т.е. графен), свернутый в цилиндр с радиусом кривизны порядка нескольких на- нометров [4]. Длина такой нанотрубки может достигать нескольких микронов (и даже миллиметров [5]), причем обычно нанотрубка завершается на концах полусферами © А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, Р.М. Баснукаева, И.И. Ясковец, И.Ю. Уварова, Б.А. Данильченко, 2014 mailto:dolbin@ilt.kharkov.ua А.В. Долбин и др. фуллеренов. Взаимодействие между трубками имеет ван-дер-ваальсовскую природу, в результате чего на- нотрубки могут объединяться в жгуты [6]. Обычно изу- чаемые и производимые материалы, основанные на ОУНТ, содержат жгуты нанотрубок с диаметром трубок 1–30 нм, состоящие из 30–100 нанотрубок, организо- ванных внутри жгута в двумерную треугольную решет- ку с параметром решетки ~17 нм [7]. Ввиду геометриче- ских особенностей жгуты одностенных углеродных нанотрубок в идеальной ситуации (рис. 1) имеют пред- почтительные с энергетической точки зрения места, в которых сорбция молекул примеси наиболее выгодна. При отсутствии специальной обработки нанотрубки закрыты на концах и вследствие этого во внутренние полости трубок газовые примеси не проникают [8]. Для жгутов, состоящих из закрытых одностенных нанотру- бок, идентифицированы как минимум три различных типа сорбционных участков: межтрубочные каналы (interstitials channel (IC)), т.е. места внутри жгутов меж- ду тремя трубками; канавки между двумя смежными трубками на внешней поверхности жгута (grooves (G)), а также поверхность отдельных трубок, которые состав- ляют внешнюю поверхность жгута (surface site (S)) [9]. Практически все известные методы очистки нанотрубок связаны с окислительной обработкой (смесью кислоты и окислителя, озоном и т.п. [10]). Это приводит к частич- ному или полному раскрытию торцов нанотрубок, а также образованию дефектов на их боковой поверхно- сти, в результате чего доступными для сорбции стано- вятся внутренние полости нанотрубок (interior site (I)). Согласно результатам математического моделиро- вания [12], наиболее предпочтительными с энергетиче- ской точки зрения местами сорбции молекул газовой примеси являются канавки между двумя соседними трубками на поверхности жгута нанотрубок (т.е. G на рис. 1). Возможность заполнения молекулами газовой примеси межтрубочных каналов в связке нанотрубок (IC) зависит от соотношения диаметра канала и эффек- тивного диаметра молекул примеси. Из расчетов [9] следует, что в случае, если жгут состоит из трубок одинакового диаметра, только изотопы гелия и водо- рода, а также, возможно, неон могут проникать в IC каналы, молекулы всех других газов слишком боль- шие, чтобы разместиться в этих узких полостях (при диаметре нанотрубок 1,38 нм и расстоянии между на- нотрубками в связке 1,7 нм оценка эффективного диа- метра IC каналов в жгуте приводит к значению 0,26 нм [13]). Авторы [14,15] считают, что для He, H2 и Ne IC полости являются самыми привлекательными участка- ми для адсорбции. В канавках на поверхности жгутов нанотрубок (G), а также в межтрубочных каналах (IC) молекулы примесей могут сорбироваться в виде длин- ных одномерных цепочек. Теоретически предсказан- ное [9] наличие одномерного характера локализации примесных частиц в жгутах ОУНТ было эксперимен- тально обнаружено путем исследований теплоемкости [16], а также методом неупругого нейтронного рассея- ния [17]. Авторы работы [8] сделали предположение о невозможности проникновения в каналы (IC) гелия, водорода и неона, что вполне реально в случае, если эти каналы блокированы окислами либо другими хи- мическими соединениями, в частности химически сор- бированным водородом [17]. С другой стороны, реаль- ные жгуты нанотрубок всегда содержат трубки различных диаметров, что приводит к появлению дос- таточно больших межтрубочных каналов [19]. Согласно выводам ряда теоретических работ, при низких температурах в жгутах нанотрубок, насыщен- ных легкими примесями (водородом и гелием), могут проявляться эффекты, связанные с квантовым поведе- нием этих систем [20,21]. Туннельный характер пове- дения атомов гелия в каналах IC жгутов нанотрубок теоретически предсказан в работе [22]. В работах [23,24] экспериментально показано, что квантовые явления, возникающие в жгутах одностенных углеродных нанотрубок, допированных 4Не и 3Не, при- водят к отрицательному радиальному тепловому рас- ширению жгутов нанотрубок при низких температурах. Туннельный характер диффузии примесей изотопов гелия, водорода, неона в междоузельных полостях кри- сталлической решетки фуллерита обнаружен в работах [25–27]. Влияние квантовых эффектов на кинетику сорбции примесей жгутами нанотрубок ранее экспери- ментально исследовано не было. В настоящей работе проведены исследования кине- тики сорбции (десорбции) изотопов гелия (4Не, 3Не), изотопов водорода (Н2, D2), неона и азота жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Температурный интервал исследований составлял: для изотопов гелия 4,5–290 К, для изотопов водорода 12–290 К, для неона 19–290 К и азота 51–290 К. Рис. 1. Места возможной сорбции молекул газовой примеси для жгута бесконечных, открытых, одинакового диаметра углеродных нанотрубок [11]: I — внутренние полости нано- трубок; IC — межтрубочные каналы; G — канавки между смежными трубками на внешней поверхности жгута; S — внешняя поверхность жгута. 318 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3 Кинетика низкотемпературной сорбции 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne и N2 жгутами одностенных углеродных нанотрубок Техника эксперимента Кинетика сорбции и десорбции газов 4Не, 3Не, Н2, D2, Ne и N2 жгутами одностенных углеродных нано- трубок с закрытыми концами исследована методом из- мерения временнόй зависимости давления газа, на- ходящегося в контакте с образцом нанотрубок в замк- нутом объеме. Подробно методика исследований и описание экспериментального оборудования изложены в работах [11,25,26]. В качестве исходного материала был использован порошок одностенных углеродных нано- трубок (CCVD method, Cheap Tubes, USA). Согласно данным фирмы-производителя, более 90% массы по- рошка составляли ОУНТ, средний внешний диаметр трубок около 1,1 нм, длина нанотрубок в жгуте 5–30 мкм. Из этого порошка давлением 1,1 ГПа были спрес- сованы образцы, представляющие собой тонкие (0,4 мм) пластины диаметром 10 мм, вес каждой пластины около 0,07 г. До начала исследований один из образцов был помещен в измерительную ячейку и выдержан в вакуу- ме не хуже 10–4 Торр в течение недели для удаления газообразных примесей. С целью более эффективного удаления водяных паров ячейка трижды промывалась сухим азотом. Другой образец был ступенчато нагрет до 500 °С в условиях динамического вакуумирования (ва- куум не хуже 10–3 Торр) в течение 8 ч. Величина ступе- ни нагрева 100 °С. Десорбированные из образца в про- цессе нагрева газы сконденсированы на охлаждаемую жидким гелием поверхность измерительной системы вакуумного десорбционного газоанализатора [11], при помощи которого установлен качественный и количест- венный состав газовой смеси, приведенный на рис. 2 и в табл. 1. На рис. 2 видно, что нагрев образца нанотрубок в вакууме до температур выше 200 °С привел к десорб- ции из образца таких газов, как Н2, СО, СН4 и СО2. Вы- деление этих газов при нагреве жгутов нанотрубок объ- ясняется термическим разложением С–О и С–О–Н групп, которые, по-видимому, существовали в местах дефектов нанотрубок в исходном образце [28]. Таблица 1. Количество примесей (в молекулах газа на 1 атом углерода), десорбированных из образца исходных ОУНТ при нагреве до 500 °С Тип примеси H2 CO CH4 CO2 n, мол.% 0,17 0,14 0,04 0,15 Третий спрессованный из нанотрубок образец облу- чен γ-квантами кобальта-60, энергия кванта 1,2 МэВ, доза облучения 1,6·107 рад. Облучение проведено при комнатной температуре в среде водорода при давлении 1 атм. При проведении сорбционных исследований ис- пользованы чистые газы со следующим содержанием примесей: нормальный водород чистотой 99,98% (при- меси: О2 ≤ 0,01%, N2 ≤ 0,01%); дейтерий, гелий-4, ге- лий-3 — не более 0,002% примесей; неон чистотой 99,72% (О2 ≤ 0,003%, Не ≤ 0,27%, N2 < 0,01%); азот чистотой 99,99% (О2 < 0,001%). Насыщение образца газообразной примесью выполнялось при давлении ~1 Торр. Во всем температурном интервале проведе- ния исследований давление газообразной примеси в измерительной ячейке было существенно ниже давле- ния насыщенных паров этой примеси. Такой темпера- турный режим позволил избежать конденсации паров заметного количества примеси на поверхности образца и стенках ячейки. Насыщение и десорбция происходили при неизмен- ной заданной температуре образца. Изменение давле- ния газов в замкнутом объеме ячейки с образцом ОУНТ при насыщении либо десорбции измерялось емкостным датчиком давления фирмы MKS «Baratron», погреш- ность измерения давления составляла не более 0,05%. После окончания процесса сорбции при каждом задан- ном значении температуры образца газ быстро (в тече- ние ~1 мин) удалялся из измерительной ячейки, после чего ячейка вновь герметизировалась, и регистрирова- лось изменение давления в последующем процессе десорбции газа из жгутов ОУНТ. После завершения десорбции температура образца изменялась до следую- щего заданного значения, и процессы насыщения и де- сорбции повторялись. Результаты и их обсуждение Полученные нами временные зависимости измене- ния давления газовой примеси в ячейке с образцом ОУНТ при сорбции либо десорбции не слишком хо- рошо описывались экспоненциальной функцией с од- ним параметром (см. рис. 3). Это, по всей видимости, говорит о том, что в процессе насыщения жгутов на- нотрубок происходит заполнение частицами примеси одновременно нескольких различных доступных для сорбции позиций на поверхности и внутри жгутов на- Рис. 2. Качественный и количественный состав газовой сме- си, десорбированной из исходного образца углеродных на- нотрубок при нагреве до 500 °С. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3 319 А.В. Долбин и др. нотрубок, что не противоречит результатам сорбцион- ных исследований [29–33]. Кроме того, необходимо учесть, что, исходя из данных рамановской спектро- скопии, нанотрубки в нашем образце имели различные диаметры (d = 1,02–1,06 нм и d = 1,69–1,72 нм [34]). Ввиду этого каналы между трубками в жгутах (IC) также могли различаться размерами и энергиями сорб- ции [19]. В работе [19] делается предположение, что каналы между трубками различных диаметров в жгуте могут быть доступны даже для сорбции атомов ксенона. Для сорбционных участков поверхности жгутов ОУНТ, имеющих близкие энергии связи с примесными частицами, характерные времена сорбции и десорбции примесей, по-видимому, близки, и разделить их вкла- ды во временную зависимость изменения давления при помощи описания зависимости ∆Р(Т) в виде суммы нескольких экспоненциальных функций не представ- лялось возможным. Поэтому времена сорбции (де- сорбции) примесей жгутами ОУНТ оценивались как половинное время (half life time, τ1/2), т.е. время, за которое давление в ячейке достигнет арифметического среднего между начальным и конечным (равновесным) значениями. Во всех случаях характерные времена процессов сорбции и десорбции для одной и той же примеси совпадали в пределах погрешности экспери- мента. На рис. 4 приведены температурные зависимо- сти половинных времен сорбции (десорбции) изотопов гелия, изотопов водорода, неона и азота образцом ОУНТ, изготовленным из исходных нанотрубок без предварительной термической обработки (рис. 4(а)), а также образцом ОУНТ после предварительного нагре- ва до 500 °С в вакууме (рис. 4(б)) и образцом ОУНТ, облученным гамма-квантами (рис. 4(б)). Отметим, что во всем температурном интервале проведения иссле- дований собственные времена установления теплового равновесия в газовой фазе (времена термализации) для всех использованных газов в измерительной системе были по крайней мере на порядок меньше измеренных половинных времен для всех примесей. При понижении температуры исходного образца от 290 К времена сорбции всех исследованных примесей вначале увеличивались (рис. 4(а)). Это свидетельствует о том, что временная зависимость сорбции определяет- ся, главным образом, термически активированной диффузией молекул. Однако при достижении опреде- ленной, зависящей от сорта газа, температуры Tm вре- Рис. 3. Экспериментальные данные по изменению давления в процессе десорбции 3Не из образца ОУНТ (символы) и их описание экспоненциальной функцией (линия) (в качестве примера приведены значения, полученные при 15 К). Рис. 4. Температурные зависимости половинных времен сорб- ции газов образцом исходных ОУНТ без предварительной термической обработки (а) и образцом ОУНТ после нагрева в вакууме до 500 °С (б). Крестики на рис. 4(а) соответствуют характерным временам установления равновесного давления в пустой измерительной ячейке. Заполненные квадраты (б) соот- ветствуют половинным временам сорбции водорода образцом ОУНТ, облученным γ-квантами в среде водорода. 320 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3 Кинетика низкотемпературной сорбции 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne и N2 жгутами одностенных углеродных нанотрубок мена сорбции начинают уменьшаться при дальнейшем понижении температуры. Значения Tm уменьшаются с ростом молекулярного веса газа и соответственно с ростом энергии взаимодействия молекул газа с нано- трубками. Изменение знака температурной зависимо- сти сорбции не наблюдается только в случае азота. Возможно, это объясняется тем, что используемая ме- тодика эксперимента не позволяет в этом случае дос- тичь температуры Tm. При температурах ниже 13–16 К характерные времена сорбции изотопов гелия и водо- рода слабо зависели от температуры. Особенности температурной зависимости времен сорбции позволя- ют предположить, что при температурах ниже Tm до- минирующим процессом диффузии, определяющим скорость сорбции (десорбции) примесей 3Не, 4Не, Н2, D2 и Ne, является туннелирование примесных частиц в жгутах нанотрубок. В пользу этого предположения свидетельствует также снижение температуры Tm по мере увеличения молекулярного веса примеси. Таким образом, немонотонность температурных зависимо- стей характерных времен сорбции примесей изотопов гелия, изотопов водорода и неона, по всей видимости, объясняется конкуренцией термоактивационного ме- ханизма диффузии, доминирующего при температурах выше Tm, и туннельного механизма диффузии, вклад которого преобладает при низких температурах. Ана- логичные эффекты уже наблюдались ранее при иссле- довании сорбции газов в фуллерите С60 [26,35]. Привлекает внимание существенное различие зна- чений и характера температурных зависимостей вре- мен сорбции газов для исходного образца (рис. 4(а)) и образца ОУНТ после нагрева в вакууме до 500 °С (рис. 4(б)). Такое различие, видимо, объясняется тем, что при нагреве образца ОУНТ в вакууме произошло удаление из исходного образца С–О и С–О–Н групп, которые частично перекрывали возможные пути дви- жения примесных атомов и молекул. Разрыв С–О свя- зей при нагреве образца и удаление газообразных про- дуктов реакции (см. рис. 2) облегчило продвижение примесных частиц и их проникновение во внутренние полости трубок (I) и каналы между трубками в жгуте (IC), соответственно уменьшив характерные для дан- ных процессов времена в температурном интервале 16–290 К (рис. 4). Влияние на сорбцию облучения образца ОУНТ гамма-квантами в среде водорода качественно напо- минает влияние нагрева в вакууме до 500 °С, но силь- нее уменьшает характерные времена сорбции–десор- бции водорода в температурном интервале 45–290 К (рис. 4(б)), в котором характерные времена десорбции для облученных нанотрубок демонстрируют более сильную температурную зависимость. Из результатов работ [17,36] следует, что облучение в среде водорода приводит к увеличению числа углеродных нанотрубок с радиационными дефектами структуры (вакансиями), через которые молекулярный водород проникает внутрь жгутов и нанотрубок. Это приводит к ускоре- нию сорбции и, соответственно, к уменьшению харак- терных времен десорбции водорода, как и в случае открытых нанотрубок. На сорбционные процессы мог также оказывать влияние содержащийся в облученном образце химически сорбированный водород [36]. Отметим, что ни нагрев образца в вакууме, ни облу- чение его гамма-квантами не оказывают существенного влияния на характерные времена сорбции–десорбции водорода при температурах ниже 16 К, где доминирую- щую роль играет туннелирование примесей. Выводы Температурная зависимость характерных времен сорбции (десорбции) примесей 3Не, 4Не, Н2, D2 и Ne образцами жгутов одностенных углеродных нанотру- бок определяется конкуренцией термоактивационного механизма диффузии примесей, доминирующего при температурах выше Tm, и туннельного механизма диффузии, вклад которого преобладает при низких температурах. Значения Tm уменьшаются с ростом мо- лекулярного веса газа и, соответственно, с ростом энергии взаимодействия молекул газа с нанотрубками. Характерным проявлением туннельного механизма диффузии является очень слабая температурная зави- симость времен сорбции указанных примесей при тем- пературах ниже 13–16 К. В случае примеси N2 наблю- дается проявление только термоактивационного меха- низма диффузии. Возможно, это объясняется тем, что используемая методика эксперимента не позволяет в этом случае понизить температуру до значения Tm. Ускорение сорбции газов после отжига образца жгутов нанотрубок (при нагреве в вакууме до 500 °С), по-видимому, обусловлено удалением из исходного образца С–О и С–О–Н групп, которые могут препятст- вовать проникновению примесных атомов внутрь жгу- тов нанотрубок. Сорбция газов также сильно ускоряется вследствие облучения образца ОУНТ гамма-квантами в среде водо- рода. Это, очевидно, обусловлено тем, что облучение, выбивая атомы углерода, создает дефекты (вакансии) в нанотрубках, через которые исследуемые газы проника- ют внутрь жгутов и внутрь нанотрубок. Влияние на сорбцию газов нагрева образца жгутов на- нотрубок в вакууме и облучения его гамма-квантами су- щественно ослабевает при температурах ниже 16 К, где доминирующую роль играет туннелирование примесей. Авторы выражают признательность Национальной академии наук Украины за финансовую поддержку работы (проект 4/13-Н), проф. А.И. Прохватилову за плодотворную дискуссию. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3 321 А.В. Долбин и др. 1. D.P. Hashim, N.T. Narayanan, J.M. Romo-Herrera, D.A. Cul- len, M.G. Hahm, P. Lezzi, J.R. Suttle, D. Kelkhoff, E. Muñoz- Sandoval, S. Ganguli, A.K. Roy, D.J. Smith, R. Vajtai, B.G. Sumpter, V. Meunier, H. Terrones, M. Terrones, and P.M. Ajayan, Sci. Rep. 2, Article number: 363 (2012). 2. S. Fedorov, P.V. Avramov, S.G. Ovchinnikov, and G. Kresse, Europhys. Lett. 63, 254 (2003). 3. G. Stan, S.M. Gatica, M. Boninsegni, S. Curtarolo, and M.W. Cole, Am. J. Phys. 67, 1170 (1999). 4. S. Iijima, Nature 354, 56 (1991). 5. S. Huang, X. Cai, and J. Liu, J. Am. Chem. Soc. 125, 5636 (2003). 6. S. Iijima and T. Ichihashi, Nature 363, 603 (1993). 7. P.M. Ajayan and T.W. Ebbesen, Rep. Prog. Phys. 60, 1025 (1997). 8. S. Talapatra, A.Z. Zambano, S.E. Weber, and A.D. Migone, Phys. Rev. Lett. 85, 138 (2000). 9. G. Stan, M. Bojan, S. Curtarolo, S.M. Gatica, and M.W. Cole, Phys. Rev. B 62, 2173 (2000). 10. D.B. Mawhinney, V. Naumenko, A. Kuznetsova, and J.T. Ya- tes, Jr., J. Am. Chem. Soc. 122, 2383 (2000). 11. A.V. Dolbin, V.B. Esel’son, V.G. Gavrilko, V.G. Manzhelii, N.A. Vinnikov, S.N. Popov, N.I. Danilenko, and B. Sund- qvist, Fiz. Nizk. Temp. 35, 613 (2009) [Low Temp. Phys. 35, 484 (2009)]. 12. A. Siber, Phys. Rev. B 66, 235414 (2002). 13. S.L. Fang, A.M. Rao, P.C. Eklund, P. Nikolaev, A.G. Rinz- ler, and R.E. Smalley, J. Mater. Res. 13, 2405 (1998). 14. G. Stan, V.H. Crespi, M.W. Cole, and M. Boninsegni, J. Low Temp. Phys. 113, 447 (1998). 15. G. Stan and M.W. Cole, Surf. Sci. 395, 280 (1998). 16. J.C. Lasjaunias, K. Biljakovic, J.L. Sauvajol, and P. Mon- ceau, Phys. Rev. Lett. 91, 025901 (2003). 17. S.O. Diallo, B. Fak, M.A. Adams, O.E. Vilches, M.R. Johnson, H. Schober, and H.R. Glyde, Europhys. Lett. 88, 56005 (2009). 18. А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, С.Н. Попов, ФНТ 37, 744 (2011) [Low Temp. Phys. 37, 589 (2011)]. 19. W. Shi and J.K. Johnson, Phys. Rev. Lett. 91, 015504 (2003). 20. M.K. Kostov, M.W. Cole, J.C. Lewis, P. Diep, and J.K. Johnson, Chem. Phys. Lett. 332, 26 (2000). 21. A. Siber, Phys. Rev. B 67, 165426 (2003). 22. M.W. Cole, V.H. Crespi, G. Stan, C. Ebner, J.M. Hartman, S. Moroni, and M. Boninsegni, Phys. Rev. Lett. 84, 3883 (2000). 23. A.V. Dolbin, V.B. Esel’son, V.G. Gavrilko, V.G. Manzhelii, N.A. Vinnikov, S.N. Popov, and B. Sundqvist, Fiz. Nizk. Temp. 36, 797 (2010) [Low Temp. Phys. 36, 635 (2010)]. 24. A.V. Dolbin, V.B. Esel’son, V.G. Gavrilko, V.G. Manzhelii, N.A. Vinnikov, S.N. Popov, and B. Sundqvist, Fiz. Nizk. Temp. 37, 685 (2011) [Low Temp. Phys. 37, 544 (2011)]. 25. A.V. Dolbin, V.B. Esel’son, V.G. Gavrilko, V.G. Manzhelii, N.A. Vinnikov, and S.N. Popov, Fiz. Nizk. Temp. 36, 1352 (2010) [Low Temp. Phys. 36, 1091 (2010)]. 26. А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, С.Н. Попов, Письма в ЖЭТФ 93, 638 (2011). 27. А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, С.Н. Попов, ФНТ 38, 1216 (2012) [Low Temp. Phys. 38, 962 (2012)]. 28. A. Kuznetsova, D.B. Mawhinney, V. Naumenko, J.T. Yates Jr., J. Liu, and R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 321, 292 (2000). 29. T. Wilson, A. Tyburski, M. DePies, O. Vilches, D. Becquet, and M. Bienfait, J. Low Temp. Phys. 126, 403 (2002). 30. Y.H. Kahng, R.B. Hallock, and E. Dujardin, Phys. Rev. B 83, 115434 (2011). 31. T. Wilson and O. Vilches, Fiz. Nizk. Temp. 29, 975 (2003) [Low Temp. Phys. 29, 732 (2003)]. 32. W. Teizer, R. Hallock, E. Dujardin, and T. Ebbesen, Phys. Rev. Lett. 82, 5305 (1999). 33. W. Teizer, R. Hallock, E. Dujardin, and T. Ebbesen, Phys. Rev. Lett. 84, 1844 (2000). 34. Б.А. Данильченко, Н.А. Трипачко, Е.А. Войциховская, И.А. Обухов, И.И. Ясковец, B. Sundqvist, ФНТ 37, 892 (2011) [Low Temp. Phys. 37, 710 (2011)]. 35. А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, Р.М. Баснукаева, ФНТ 39, 475 (2013) [Low Temp. Phys. 39, 370 (2013)]. 36. А.В. Долбин, В.Б. Есельсон, В.Г. Гаврилко, В.Г. Манжелий, Н.А. Винников, И.И. Ясковец, И.Ю. Уварова, Н.А. Трипач- ко, Б.А. Данильченко, ФНТ 39, 790 (2013) [Low Temp. Phys. 39, 610 (2013)]. 37. M. Calbi, F. Toigo, and M. Cole, Phys. Rev. Lett. 86, 5062 (2001). 38. R.B. Hallock and Y.H. Kahng, J. Low Temp. Phys. 134, 21 (2004). 39. Y. Ren and D.L. Price, App. Phys. Lett. 79, 3684 (2001). 40. J.T. Burde and M.M. Calbi, J. Phys. Chem. C 111, 5057 (2007). 41. R. Cantelli, A. Paolone, S. Roth, and U. Dettlaff, Solid State Phenom. 115, 163 (2006). 42. D.S. Rawat, V. Krungleviciute, L. Heroux, M. Bulut, M.M. Calbi, and A.D. Migone, Langmuir 24 (23), 13465 (2008). 43. D.G. Narehood, J.V. Pearce, P.C. Eklund, P.E. Sokol, R.E. Lechner, J. Pieper, J.R.D. Copley, and J.C. Cook, Phys. Rev. B 67, 205409 (2003). Kinetics of 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne and N2 sorption by bundles of single-walled carbon nanotubes. Quantum effects A.V. Dolbin, V.B. Esel’son, V.G. Gavrilko, V.G. Manzhelii, N.A. Vinnikov, R.M. Basnukaeva, I.I. Yaskovets, I.Yu. Uvarova, and B.A. Danilchenko The low-temperature kinetics of sorption of 3He, 4He, H2, D2, Ne and N2 gases by bundles of single- walled carbon nanotubes with closed ends (c-SWNT) 322 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3 http://dx.doi.org/10.1038/srep00363 http://dx.doi.org/10.1209/epl/i2003-00102-1 http://dx.doi.org/10.1119/1.19103 http://dx.doi.org/10.1038/354056a0 http://dx.doi.org/10.1021/ja034475c http://dx.doi.org/10.1038/363603a0 http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/60/10/001 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.138 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.62.2173 http://dx.doi.org/10.1021/ja994094s http://dx.doi.org/10.1063/1.3151995 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.66.235414 http://dx.doi.org/10.1557/JMR.1998.0333 http://dx.doi.org/10.1023/A:1022500128152 http://dx.doi.org/10.1023/A:1022500128152 http://dx.doi.org/10.1016/S0039-6028(97)00632-8 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.025901 http://dx.doi.org/10.1209/0295-5075/88/56005 http://dx.doi.org/10.1063/1.3643271 http://dx.doi.org/10.1063/1.3643271 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.015504 http://dx.doi.org/10.1016/S0009-2614(00)01245-8 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.67.165426 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.3883 http://dx.doi.org/10.1063/1.3479333 http://dx.doi.org/10.1063/1.3624780 http://dx.doi.org/10.1063/1.4802502 http://dx.doi.org/10.1134/S0021364011100067 http://dx.doi.org/10.1063/1.4758785 http://dx.doi.org/10.1063/1.4758785 http://dx.doi.org/10.1016/S0009-2614(00)00341-9 http://dx.doi.org/10.1023/A:1013769823838 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.83.115434 http://dx.doi.org/10.1063/1.1614179 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.5305 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.5305 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1844 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1844 http://dx.doi.org/10.1063/1.3624770 http://dx.doi.org/10.1063/1.4802502 http://dx.doi.org/10.1063/1.4816119 http://dx.doi.org/10.1063/1.4816119 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.5062 http://dx.doi.org/10.1023/B:JOLT.0000012529.50135.c0 http://dx.doi.org/10.1063/1.1421639 http://dx.doi.org/10.1063/1.1421639 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.115.163 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.115.163 http://dx.doi.org/10.1021/la8022002 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.67.205409 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.67.205409 Кинетика низкотемпературной сорбции 3Не, 4Не, Н2, D2, Ne и N2 жгутами одностенных углеродных нанотрубок and the subsequent desorption of these gases from the c-SWNT bundles has been investigated. The charac- teristic times of the sorption–desorption processes co- incide within the experimental error. The prior anneal- ing of the SWNT samples at T = 500 °C reduced significantly the characteristic times and changed their temperature dependences. The effect of annealing de- creased with increasing the molecular weight of the dissolved gas. Below 16 K the times of 3He, 4He, H2, D2 sorption were only slightly dependent on tempera- ture, which suggests a tunnel character of the sorption of these impurities by c-SWNT bundles. The influence of irradiation of c-SWNT bundles with γ quanta upon H2 sorption is qualitatively similar to annealing effect. PACS: 68.43.Jk Diffusion of adsorbates, kinetics of coarsening and aggregation; 68.43.Mn Adsorption kinetics; 61.46.Fg Nanotubes. Keywords: carbon nanotubes, quantum diffusion, sorp- tion kinetic. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 3 323

Кинетика низкотемпературной сорбции ³Не, ⁴Не, Н₂, D₂, Ne и N₂ жгутами одностенных углеродных нанотрубок. Квантовые эффекты

Репозитарії

Схожі ресурси