Физико-химические свойства углеродных нанотрубок

Физико-химические свойства углеродных нанотрубок

Представлены результаты изучения влияния различных видов химической обработки на физико-химические свойства углеродных нанотрубок (УНТ), полученных методом газофазного каталитического осаждения углеводородов на Ni–Mg-катализаторе. Химическая очистка необходима для удаления остатков катализатора и ок...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
Hauptverfasser: Богатырева, Г.П., Ильницкая, Г.Д.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2013
Schriftenreihe:Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69619
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Физико-химические свойства углеродных нанотрубок / Г.П. Богатырева, Г.Д. Ильницкая // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 2. — С. 34-39. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69619
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-696192025-02-23T20:08:20Z Физико-химические свойства углеродных нанотрубок Physical and chemical properties of carbon nanotubes Богатырева, Г.П. Ильницкая, Г.Д. Представлены результаты изучения влияния различных видов химической обработки на физико-химические свойства углеродных нанотрубок (УНТ), полученных методом газофазного каталитического осаждения углеводородов на Ni–Mg-катализаторе. Химическая очистка необходима для удаления остатков катализатора и окисления аморфного углерода. Физико-химические свойства исходных и обработанных УНТ были изучены методами рентгеноструктурного, адсорбционного, термодесорбционного, термографического, магнитного и электрохимического анализа. Установлено, что все виды примененной химической обработки исходных и обработанных УНТ увеличивают удельную поверхность, общую пористость и изменяют адсорбционную активность, влияют на термостойкость УНТ. Сформулированы основные отличительные характеристики качества порошков многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), разработана технология получения трех марок: МУНТ-А, МУНТ-В и МУНТ-С. Представлено результати вивчення впливу різних видів хімічної обробки на фізикохімічні властивості вуглецевих нанотрубок (ВНТ), які отримані методом газофазного каталітичного осадження вуглеводнів на Ni–Mg-каталізаторі. Хімічне очищення необхідне для видалення залишків каталізатора й окислення аморфного вуглецю. Фізико-хімічні властивості вихідних та оброблених ВНТ були вивчені методами рентгеноструктурного, адсорбційного, термодесорбційного, термографічного, магнітного й електрохімічного аналізу. Встановлено, що всі види застосованої хімічної обробки вихідних та оброблених ВНТ збільшують питому поверхню, загальну пористість і змінюють адсорбційну активність, впливають на термостійкість ВНТ. Сформульовано основні відмінні характеристики якості порошків багатостінних вуглецевих нанотрубок (БВНТ), розроблено технологію одержання трьох марок: БВНТ-А, БВНТ-В і БВНТ-С. The aim of the present work is the study of effect of different kinds of chemical treatment on physical and chemical properties of CNT produced by gas-phase catalytic deposition of hydrocarbons on the Ni–Mg catalyst (produced by Alit Co.). Chemical treatment is necessary to remove the residue of the catalyst and to oxidize amorphous carbon. Physical and chemical properties of untreated and treated CNT have been studied by X-ray diffraction analysis, adsorption analysis, thermal desorption spectrometry, thermographic analysis, magnetic and electrochemical analysis. As a result of the studies, principal distinctive characteristics of the quality of powder of multilayer carbon nanotubes (MCNT) have been defined, production technology of three grades of MCNT (MCNT-A, MCNT-B and MCNT-C) has been developed. 2013 Article Физико-химические свойства углеродных нанотрубок / Г.П. Богатырева, Г.Д. Ильницкая // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 2. — С. 34-39. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.20.Ev https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69619 ru Физика и техника высоких давлений application/pdf Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Представлены результаты изучения влияния различных видов химической обработки на физико-химические свойства углеродных нанотрубок (УНТ), полученных методом газофазного каталитического осаждения углеводородов на Ni–Mg-катализаторе. Химическая очистка необходима для удаления остатков катализатора и окисления аморфного углерода. Физико-химические свойства исходных и обработанных УНТ были изучены методами рентгеноструктурного, адсорбционного, термодесорбционного, термографического, магнитного и электрохимического анализа. Установлено, что все виды примененной химической обработки исходных и обработанных УНТ увеличивают удельную поверхность, общую пористость и изменяют адсорбционную активность, влияют на термостойкость УНТ. Сформулированы основные отличительные характеристики качества порошков многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), разработана технология получения трех марок: МУНТ-А, МУНТ-В и МУНТ-С.
format Article
author Богатырева, Г.П.
Ильницкая, Г.Д.
spellingShingle Богатырева, Г.П.
Ильницкая, Г.Д.
Физико-химические свойства углеродных нанотрубок
Физика и техника высоких давлений
author_facet Богатырева, Г.П.
Ильницкая, Г.Д.
author_sort Богатырева, Г.П.
title Физико-химические свойства углеродных нанотрубок
title_short Физико-химические свойства углеродных нанотрубок
title_full Физико-химические свойства углеродных нанотрубок
title_fullStr Физико-химические свойства углеродных нанотрубок
title_full_unstemmed Физико-химические свойства углеродных нанотрубок
title_sort физико-химические свойства углеродных нанотрубок
publisher Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate 2013
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69619
citation_txt Физико-химические свойства углеродных нанотрубок / Г.П. Богатырева, Г.Д. Ильницкая // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 2. — С. 34-39. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv AT bogatyrevagp fizikohimičeskiesvojstvauglerodnyhnanotrubok
AT ilʹnickaâgd fizikohimičeskiesvojstvauglerodnyhnanotrubok
AT bogatyrevagp physicalandchemicalpropertiesofcarbonnanotubes
AT ilʹnickaâgd physicalandchemicalpropertiesofcarbonnanotubes
first_indexed 2025-11-24T23:19:06Z
last_indexed 2025-11-24T23:19:06Z
_version_ 1849715690028662784
fulltext Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 2 © Г.П. Богатырева, Г.Д. Ильницкая, 2013 PACS: 81.20.Ev Г.П. Богатырева, Г.Д. Ильницкая ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины ул. Автозаводская, 2, г. Киев, 04074, Украина Статья поступила в редакцию 28 августа 2012 года Представлены результаты изучения влияния различных видов химической обра- ботки на физико-химические свойства углеродных нанотрубок (УНТ), полученных методом газофазного каталитического осаждения углеводородов на Ni–Mg- катализаторе. Химическая очистка необходима для удаления остатков катали- затора и окисления аморфного углерода. Физико-химические свойства исходных и обработанных УНТ были изучены методами рентгеноструктурного, адсорбцион- ного, термодесорбционного, термографического, магнитного и электрохимическо- го анализа. Установлено, что все виды примененной химической обработки исход- ных и обработанных УНТ увеличивают удельную поверхность, общую пористость и изменяют адсорбционную активность, влияют на термостойкость УНТ. Сфор- мулированы основные отличительные характеристики качества порошков много- стенных углеродных нанотрубок (МУНТ), разработана технология получения трех марок: МУНТ-А, МУНТ-В и МУНТ-С. Ключевые слова: углеродные нанотрубки, удельная поверхность, пористость, ад- сорбционная активность, термостойкость Представлено результати вивчення впливу різних видів хімічної обробки на фізико- хімічні властивості вуглецевих нанотрубок (ВНТ), які отримані методом газофаз- ного каталітичного осадження вуглеводнів на Ni–Mg-каталізаторі. Хімічне очи- щення необхідне для видалення залишків каталізатора й окислення аморфного вуг- лецю. Фізико-хімічні властивості вихідних та оброблених ВНТ були вивчені мето- дами рентгеноструктурного, адсорбційного, термодесорбційного, термографічного, магнітного й електрохімічного аналізу. Встановлено, що всі види застосованої хімічної обробки вихідних та оброблених ВНТ збільшують питому поверхню, за- гальну пористість і змінюють адсорбційну активність, впливають на тер- мостійкість ВНТ. Сформульовано основні відмінні характеристики якості по- рошків багатостінних вуглецевих нанотрубок (БВНТ), розроблено технологію одер- жання трьох марок: БВНТ-А, БВНТ-В і БВНТ-С. Ключові слова: вуглецеві нанотрубки, питома поверхня, пористість, адсорбційна активність, термостійкість Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 2 35 Введение В последнее время в материаловедении интенсивно развивается новое на- учное направление, связанное с созданием УНТ. Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры из больших молекул, состоящие исключительно из атомов углерода. Известно, что при синтезе УНТ образуются много- и одно- слойные нитевидные структуры цилиндрической формы с диаметром 0.8– 5.0 nm и длиной до нескольких сотен микрометров. Внутри и на внешней по- верхности трубок могут содержаться примеси металлов-катализаторов, при- меняемых в синтезе УНТ, а также примеси аморфного углерода в виде сажи и графитизированных включений, фуллеренов и других наночастиц [1,2]. Целью данной работы было исследование физико-химических свойств образцов УНТ, синтезированных фирмой «Алит» методом CVD. Методика эксперимента Исследования проводили на УНТ, полученных фирмой «Алит» методом газофазного каталитического осаждения углеводородов на никель- магниевом катализаторе. Массовую долю примесей, удельную магнитную восприимчивость, удельное электросопротивление, пикнометрическую плотность определяли прибором «АutoPycnometer-1320» по методикам, при- веденным в [3]. Природу примесей изучали методом рентгеноспектрального анализа. Адсорбционно-структурные исследования проводили с помощью газоадсорбционного анализатора NOVA 2200 («Quantachrome», USA) [4]. Массо- и термодесорбционные спектры снимали с использованием масс- спектрометра МИ 1201 в интервале температур 20–600°C со скоростью на- грева 30 deg/min при вакууме 10–6 Pa [5]. Результаты экспериментов и их обсуждение На рис. 1 представлена микрофотография образца УНТ, синтезированно- го фирмой «Алит», полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. На снимке видны УНТ в боль- шинстве диаметром 38.0–25.0 nm, отдельные волокна с остатками ка- тализатора и сажи, графитизирован- ные включения. Некоторое количе- ство аморфного углерода располага- ется на поверхности самих трубок. Для проведения исследований после разных химических обработок были изготовлены образцы УНТ: раствором соляной кислоты – обра- зец УНТ1; смесью концентрирован- ных соляной и азотной кислот – Рис. 1. СЭМ-микрофотография образца УНТ Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 2 36 УНТ2; смесью концентрированных серной и азотной кислот – УНТ3. До- полнительной обработкой образца УНТ2 смесью хромовой и серной кислот получили УНТ4. Для оценки природы примесей проведен рентгеноспектральный анализ элементного состава образцов УНТ, прошедших различную химическую об- работку. Выполненный анализ показал, что основными примесями являются никель, кислород, кальций и хлор. Содержание никеля при переходе от об- разца УНТ1 к образцу УНТ4 уменьшается от 1.49 до 0.17%. В табл. 1 приведены основные физико-химические показатели образцов УНТ, подвергнутых различным химическим обработкам. Из таблицы следу- ет, что пикнометрическая плотность для всех образцов остается постоянной. Суммарное количество примесей уменьшается от 1.8% для образца УНТ1 до 0.5% для образца УНТ3. Удельное электросопротивление образцов после различных химических обработок увеличивается в 3 раза. При этом макси- мальная электропроводность присуща образцу УНТ1 и осуществляется в ос- новном за счет аморфного углерода. Таблица 1 Физико-химические показатели образцов УНТ Показатель УНТ1 УНТ2 УНТ3 УНТ4 Пикнометрическая плотность, g/cm3 2.27 2.27 2.27 2.27 Массовая доля примесей в виде несго- раемого остатка, % 1.80 1.00 0.50 0.77 Удельная магнитная восприимчивость χ, 10–8 m3/kg 103.7 19.6 3.9 8.8 Удельное электросопротивление, Ω⋅m 0.000574 0.001858 0.001677 0.002360 О присутствии аморфного углерода в образцах свидетельствуют и ре- зультаты рентгенографического анализа. Максимум наличия аморфного уг- лерода обнаружен для образца УНТ1. Минимальная высота пика характерна для УНТ4, для получения которого применяли двухстадийную обработку: 1) смесью концентрированных азотной и соляной кислот, 2) смесью серной и хромовой кислот. Особый интерес представляют поверхностные свойства УНТ. В табл. 2 приведены адсорбционно-структурные параметры образцов УНТ, получен- ных после различных химических обработок. Так, вследствие химической обработки удельная площадь поверхности, общая пористость и средний диаметр частиц образцов УНТ2 и УНТ3 повышаются. Величина энергии ад- сорбции этих образцов в 1.7 раза ниже, чем исходного образца УНТ1, что связано, по-видимому, с уменьшением количества активных адсорбционных центров аморфного углерода. Для УНТ1 характерна как микро-, так и мезо- пористость. После химической обработки объем микропор образца УНТ3 в 2.5 раза выше, чем у образца УНТ1. Из таблицы следует, что удельная пло- щадь поверхности, общий объем пор, поверхностная энергия и средний диаметр частиц возрастают при переходе от образца УНТ1 к образцу УНТ4. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 2 37 Таблица 2 Адсорбционно-структурные параметры образцов УНТ после различных химических обработок Наименование показателя УНТ1 УНТ2 УНТ3 УНТ4 Удельная площадь поверхности, m2/g 113.6 138.6 136.0 153.8 Совокупная десорбционная площадь поверхности, m2/g 114.8 110.3 110.0 111.0 Совокупный десорбционный объем пор, ml/g 0.363 0.477 0.550 0.457 Объем микропор, ml/g 0.0367 0.046 0.0465 0.053 Средний радиус пор, Å 84.0 97.6 87.0 85.0 Энергия адсорбции, kJ/mol 15.76 9.58 13.9 9.16 Электрокинетический потенциал, mV –0.817 – – – Величина свободной энергии насыщения поверхности парами воды, J/g-mol·g 40.5 51.4 52.4 – Были исследованы термодесорбционные спектры поверхности образцов УНТ с помощью масс-спектрометрии. Основными продуктами термоде- сорбции, фиксируемыми на поверхности частиц УНТ, были пары воды, мо- нооксид (СО) и двуоксид (СО2) углерода. В незначительных количествах присутствовал атомарный и молекулярный кислород. На рис. 2 сопоставлены термодесорбционные спектры паров воды для ис- следуемых образцов. Пары воды для всех образцов имеют максимум при температуре 50°С, что соответствует физической десорбции адсорбирован- ной воды на образце. Установлено, что максимумы физической адсорбции паров воды для образ- цов УНТ располагаются в следующем порядке: УНТ4 > УНТ2 > УНТ3 > УНТ1. На образце УНТ3 при температуре 250°С наблюдается максимум десорб- ции химически связанной воды. В табл. 3 приведены экзо- и эндотермические эффекты для исходных и хи- мически обработанных образцов УНТ. Из таблицы следует, что экзотермиче- ские процессы наблюдаются при температурах 120–200°С, что, по-видимому, связано с десорбцией паров воды. Это подтверждают и термодесорбционные спектры паров воды на этих образцах. Таким образом, в связи с тем, что УНТ состоят как минимум из двух углеродных составляющих, процесс окисления УНТ протекает в два этапа: на первом окисляется более активная углеродная фаза (450–550°С), а на втором происходит окисление непо- средственно самих углеродных нанот- рубок (700°С и выше). Основными продуктами окисления углеродных нанотрубок являются СО и СО2. Рис. 2. Термодесорбционные спектры паров воды, полученные на образцах УНТ1 (кривая 1), УНТ2 (2), УНТ4 (3), УНТ3 (4) Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 2 38 Таблица 3 Экзо- и эндотермические эффекты для исходных и химически обработанных образцов УНТ Температура максимума, °СНаименование мате- риала экзоэффекта эндоэффекта УНТ1 200, 670 50, 350, 760 УНТ2 250, 650 50, 400, 800 УНТ3 220, 700 50, 510, 770 УНТ4 270, 600 50, 470, 850 Проведенные исследования позволили сформулировать основные отли- чительные характеристики качества порошков многостенных УНТ трех ма- рок: МУНТ-А, МУНТ-В и МУНТ-С, у которых массовая доля примесей от 1.5 до 0.4%, в том числе растворимых – от 0.70 до 0.05%, примеси аморфно- го углерода – от 0.5 до 0.0%; величина удельного электрического сопротив- ления – от 6·10–4 до 12·10–4 Ω·m; величина магнитной восприимчивости – от 10–6 до 7·10–8 m3/kg. Выводы Изучены химические, физико-химические, структурные и структурно- механические свойства УНТ, полученных методом пиролиза метана с при- менением Ni–Mg-катализатора. Установлено, что химические обработки порошков УНТ увеличивают удельную поверхность, общую пористость и изменяют адсорбционную ак- тивность, связанную с количеством активных центров, влияют на термо- стойкость УНТ. Основными продуктами десорбции являются пары воды, монооксид (СО) и двуоксид (СО2) углерода. Показано, что кислотные обработки (НСl, HNO3 и их смеси) способству- ют снижению содержания Ni в продукте с 1.5 до 0.5%, но не удаляют аморфный углерод. Для удаления последнего наиболее эффективно допол- нительное применение смеси хромовой и серной кислот или смеси серной и азотной кислот. 1. Ю.И. Головин, Введение в нанотехнику, Машиностроение, Москва (2007). 2. Э.Г. Раков, Успехи химии 69, 41 (2000). 3. Методические рекомендации по изучению физико-химических свойств сверх- твердых материалов, Г.П. Богатырева (ред.), ИСМ НАН Украины, Киев (1992). 4. Н.В. Сыч, В.В. Стрелко, Н.Н. Цыба, А.М. Пузий, Доп. НАН України № 7, 144 (2009). 5. Г.П. Богатырева, М.А. Маринич, Е.В. Ищенко, В.Л. Гвяздовская, Г.А. Базалий, Сверхтвердые материалы № 6, 10 (2002). Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 2 39 G.P. Bogatyreva, G.D. Ilnitskaya PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF CARBON NANOTUBES Synthesis of carbon nanotubes (CNT) results in formation of both multilayer and sin- gle-layer filamentary tubular structures about 0.8–5.0 nm in diameter and up to hundreds microns in length. The impurities of metals used as catalysts in the course of CNT syn- thesis as well as impurities in the form of amorphous carbon (carbon-black) and graphi- tized inclusions, fullerenes and other nanoparticles can be contained on the external and internal surfaces of the tubes. The aim of the present work is the study of effect of different kinds of chemical treat- ment on physical and chemical properties of CNT produced by gas-phase catalytic depo- sition of hydrocarbons on the Ni–Mg catalyst (produced by Alit Co.). Chemical treatment is necessary to remove the residue of the catalyst and to oxidize amorphous carbon. Physical and chemical properties of untreated and treated CNT have been studied by X-ray diffraction analysis, adsorption analysis, thermal desorption spectrometry, thermo- graphic analysis, magnetic and electrochemical analysis. It is ascertained that each kind of the applied acidizing of the untreated and treated CNT results in an increase in the specific surface, total porosity; adsorption activity cor- related with the amount of active centers and thermal stability are also changed. Acidiz- ing treatment of the initial CNΤ by HCl, HNO3 and acid mixtures decreases Ni content in the material by 3 times, from 1.5 to 0.5%. But this treatment does not remove amorphous carbon. To remove amorphous carbon, extra treatment by mixtures of H2CrO4 + H2SO4 or H2SO4 + HNO3 is especially effective. As a result of the studies, principal distinctive characteristics of the quality of powder of multilayer carbon nanotubes (MCNT) have been defined, production technology of three grades of MCNT (MCNT-A, MCNT-B and MCNT-C) has been developed. Keywords: carbon nanotubes, specific surface, porosity, adsorption activity, thermal sta- bility Fig. 1. SEM image of CNT sample Fig. 2. Thermodesorption spectra of water vapour from CNT1 (curve 1), CNT2 (2), CNT4 (3), CNT3 (4)

Ähnliche Einträge