Физико-химические основы каталитического синтеза углеродных нанотрубок

• Автор: Усольцева, Анна Николаевна
• Шифр специальности: 02.00.15
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Принятые сокращения и определения

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Строение и свойства УНТ

1.1.1. Классификация нитевидных частиц углерода

1.1.2. Строение УНТ

1.1.3. Хиральность УНТ

1.1.4. Методы исследования структуры УНТ

1.1.5. Физико-химические свойства углеродных нанотрубок

и возможности их практического использования

1.2. Основные методы синтеза УНТ

1.2.1. Электродуговой синтез

1.2.2. Метод лазерного испарения графита
1.2.3. Другие методы испарения графита
1.2.4. Метод каталитического пиролиза углеродсодержащих соединений
1.2.5. Сравнительный анализ методов синтеза УНТ
1.3. Анализ предлагаемых в литературе механизмов
каталитического синтеза УНТ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Приготовление катализаторов синтеза УНТ
2.1.1. Синтез катализаторов методом магнетронного распыления
2.1.2. Синтез катализаторов методом термического испарения металла
2.1.3. Синтез катализаторов методом полимеризованных
комплексных предшественников
2.2. Реактивы, использованные в работе
2.3. Синтез УНТ методом каталитического разложения
углеводородов, этанола и диспропорционирования СО
2.4. Физико-химические методы исследования
2.4.1. Просвечивающая электронная микроскопия
2.4.2. Сканирующая электронная микроскопия

2.4.3. Рентгенофазовый анализ
2.4.4. Сканирующая микроскопия атомных сил
2.4.5. Спектроскопия комбинационного рассеяния
2.4.6. Химический элементный анализ
2.4.7. Исследование автоэмиссионных свойств УНТ
3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТАДИИ
ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА
3.1. Анализ роли стадии зародышеобразования углерода на поверхности металла
3.2. Взаимосвязь фазовых равновесий и процессов
формирования отложений на поверхности металлических катализаторов
3.3. Выбор модели углеродного зародыша
3.4. Зависимость критического радиуса углеродного
зародыша от реакционных параметров синтеза УНТ
3.5. Однопараметрическая чувствительность
зависимости г(сгк) от реакционных параметров
3.6. Сопоставление результатов расчетов
с литературными экспериментальными данньми о диаметрах синтезируемых УНТ
3.7. Механизм формирования бамбукоподобных нанотрубок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ
4. КАТАЛИЗАТОРЫ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
4.1. Бе-, Со-, Мьсодержащие катализаторы, закрепленные на М§0, синтезированные методом полимеризованных комплексных предшественников
4.2. Со-ЭЮг и Со-содержащие катализаторы, закрепленные на АЬОз-пластины
4.5. Мьсодержащие катализаторы, закрепленные на поверхности ЗГпластин
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ
5. КАТАЛИТИЧЕКИЙ СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
5.1. Влияние температуры процесса на тип и диаметр образующихся УНТ
5.1.1. Исследование влияния температуры на синтез УНТ на примере реакции каталитического диспропорционирования СО/Нг на катализаторе Со-БЮг/АЬОз
5.1.2. Исследование влияния температуры на синтез УНТ на примере реакции каталитического пиролиза С2Н5ОН/Н2 на катализаторах Со-ВЮг/АЬОз и РеСо/М§0

5.2. Влияние условий восстановления катализатора на его активность и селективность в синтезе УНТ на примере реакции каталитического пиролиза СН4
на катализаторах Ре/М§0 и РеСо/М£0
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 5
6. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗ УНТ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
6.1. Разработка высокопроизводительных катализаторов селективного синтеза многослойных УНТ
6.2. Синтез углеродных нанотрубок, закрепленных на твердых подложках
6.2.1. Синтез покрытий на основе УНТ на кремниевых
и корундовых подложках
6.2.2. Синтез массивов УНТ с использованием литографических масок
6.2.3. Синтез УНТ на вольфрамовых игольчатых катодах
6.2.4. Исследование эмиссионных свойств покрытий из УНТ
6.2.5. Синтез изолированных однослойных нанотрубок
на поверхности кремниевых подложек
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ

ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Учитывая все вышеизложенное, уравнение (1) может быть записано в следующем виде:
A G-Ttr‘

RTn— + (lagraphi{e-Wad)

+ 2лг
ЬНМ_С-Ш,
С-С ! Q
2Nа'гс-с 4.5h
(8)
Максимум функции АС(г) соответствует критическому размеру зародыша и находится из условия й(Ай)Мг=0.
Таким образом, получаем выражение для критического радиуса углеродного зародыша:
rcrit
А^с-АЯ,
С-С | Q
2-Wа'гс-с 4.5/г
RT-h
In — + (wad - 2оgraphite)
(9)
J L r M xo
Уравнение (9) представляет собой функциональную зависимость между критическим радиусом углеродного зародыша (гсп1) и реакционными параметрам, такими как температура (7), пересыщение металлической частицы углеродом (х/хд) и параметрами, обусловленными природой металлического катализатора: энергия связи металл-углерод (АН^-с), работа адгезии металла к графиту (Wad)- Представляло интерес провести анализ степени влияния различных реакционных параметров уравнения (9) на величину критического радиуса углеродного зародыша и сопоставить полученные величины с экспериментальными данными разных авторов.
3.5. Однопараметрическая чувствительность зависимости г(сгк) от реакционных параметров.
Полученная нами зависимость (9) представляет собой функцию многих переменных:
Гcri, =
Т, АН и_с, , Wad
0 Л В свою очередь эти переменные не являются независимыми. Так, работа адгезии (Wad) и степень пересыщения (х/хд) зависят от температуры. Кроме того, работа адгезии зависит от содержания углерода в металле, то есть от степени пересыщения, и от фазового состояния металла, причем для твердого состояния катализатора она существенно изменяется в зависимости от типа кристаллографических граней металла. В силу этого решение уравнения (9) относительно всех переменных, то есть рассмотрение влияния всех реакционных параметров одновременно, в аналитическом виде не представляется возможным. Графическим решением данной задачи является гиперповерхность в многомерном пространстве параметров уравнения (9). Мы можем рассматривать только соответствующие сечения данной поверхности, то есть по отдельности анализировать влияние каждого из реакционных параметров при фиксированных значениях остальных.