Пошив смачиваемости углеродных нанотрубок порошки, Баки документы и вертикально нановолокон

Концы вертикально углеродных нанотрубок или нановолокон, как синтезированные, как правило, увенчанные частиц катализатора углерода инкапсуляции. Для того чтобы включить вставку гостевых молекул (ДНК, водород травление) открытие концы нанотрубок лучшего. Различные методы, используемые до сих пор основаны на трех принципах (я) мокрой растворения химических (II) МЕХАНИЧЕСКИЕ разбить или (II) кислородом высокой температуры горения помощь. Однако такие методы сопровождаются вредными последствиями разрушения вертикальное выравнивание и электронной структуры нанотрубок.

В этой работе мы сообщаем о быстрой и экологичной низкого давления тлеющего разряда (LPGD), чтобы подготовить углеродных нанотрубок Баки бумаги с управляемым смачиваемости. Мы также сообщаем о влиянии комнатной температуре LPGD по морфологии и химии поверхности вертикально нановолокон углерода. Характеристика функционализированных нанотрубок и нановолокон была проведена поверхностно аналитических методов, как SEM, ЭСХА, TGA, BET, чтобы найти оптимизированные наборы параметров.

Экспериментальный

Производство углеродных нанотрубок

CNT сырья были произведены в Корке Университетского колледжа по химического осаждения паров (CVD) метана на MgO поддерживается Со и Мо катализатор. MgO поддержка была пропитана из водного раствора Co (NO _{3) ^2.} 6H ₂ O и (NH ₄₎ Mo ₆ O _^24. H ₂ O, и раствор ультразвуком в течение 30 минут и сушат при 100 ° С в течение ночи. Сухой порошок спеченного при 450 ° С в течение 8 часов, чтобы произвести катализатора. 0,5 г катализатора помещают в кварцевую трубку в трубчатой ​​печи. Порошок был уменьшен путем нагревания до 800 ° С в 10% H ₂ / Ar при скорости потока 200 мл мин ^-1 в течение 30 мин. Метан был затем подается в трубу со скоростью потока 100 мл мин ^-1. Период роста для формирования УНТ была установлена ​​на уровне 800 ° С на 60 мин, после чего печь охлаждают до комнатной температуры. Для очистки УНТ в качестве подготовленных катализатор / углерода смесь обрабатывали 3 М HNO ₃ и промывают водой для удаления катализатора.

Производство неприсоединения выращенных УНТ

Унифицированные MWCNT были произведены с помощью плазменного осаждения на Расширенные Университет из Кембридж [25 ]. MWCNT были выращены на месте на вершине Si подложках с помощью тонкой катализатора (~ 5 нм) слой никеля. Использование соотношение подачи газа 1:4 ацетилен (C ₂ H _2), аммиака (NH ₃₎ и рост температуры 680 ° С этими MWCNT были выращены от 10 до 25mins для достижения желаемой высоты ~ 0,5-1,5 мкм. Во время процесса роста постоянного тока плазмы смещения 600 В применяется который поддерживает электрического поля для выравнивания MWCNT.

Плазменной обработки

В ходе реализации проекта, две различные системы плазменной обработки были созданы. Во-первых, труба реактора были использованы, схематически показано на рисунке 1.

Реактор снабжен высокочастотный генератор (13 , 56 МГц), системы подачи газа с потоком контроллеры , Вакуумный насос с вышестоящим отделителя жидкости азота и давления. Генератор позволяет ввода энергии от 10 до 600 Вт регулятор потока может быть установлена ​​в потоке газа до 100 SCCM с одной газовой мономера или смеси газов. Поток газа проходит горизонтально над образцами. Насосная система позволяет Базовое давление до лечения примерно 0 , 001mbar. Найти наборы параметров затем были переведены в более определенные параллельной системы плазмы пластине изображена на рисунке 2 с потоком газа вертикально к образцам.

Это симметричный реактор состоит из двух плоских параллельных электродов с размером 40 × 30 см ^2. В занятых установки плазмы емкостной связью на 13 , 56 МГц (ВЧ) по использованию ENI ^® ACG-6B плазменного генератора и подходящий ENI ^® MWH-5 импеданса сети (МКС инструменты Deutschland GmbH , Мюнхен / Германия). Верхний электрод был соединен с РФ в то время как нижняя был заземлен. Более подробно об этом реакторе можно найти в [26 ].

Аналитические методы

Сканирующей электронной микроскопии (SEM; LEO 1530 VP) в сочетании с энергетической дисперсии рентгеновской спектроскопии (EDX) была использована для оценки морфологической структуры сырья и производства Баки бумаги. Комбинационно-спектроскопии было проведено с ИНТЕГРА Спектра [НТ-МДТ] оснащен двумя лазерами на 632 , 8 нм и 488 нм, эмиссия , соответственно. Решетки 1800 линий / мм уступая разрешением 1 , 5 см ^-1.

N _{2-изотерм} адсорбции были измерены при 77 К весовым методом (IGA системы , Хиден аналитического , Ltd.) Адсорбции Измерения проводились после preevacuation нанотрубки образцов при 373 К и 1 МПа в течение 3 часов. Нанотрубок образцы шоу типа II или типа IV поведение, которое позволяет рассчитывать удельную поверхность через BET-метода в соответствии с DIN ISO 9277.

Исследования анализа поверхности были выполнены XPS / ESCA использования Кратос оси Ультра Система оснащена DLD-детектора и ALK монохроматического источника. Детали этой настройки описаны в работах [ 26 , 27 ].

Результаты и обсуждение

Баки Производство бумаги

В процессе производства, углеродные нанотрубки форме обычно большие агломераты запутанных УНТ, часто смешивают с оставшейся небольшой катализатор наночастиц инкапсулированные в углеродных нанотрубках и аморфного углерода. Рисунок 3 представляет SEM фигуры МСНТ ОСНТ и сырья производится с помощью метода CVD. Чтобы получить хорошие и стабильные Баки бумаги, те, агломераты должны быть разрушены, в идеале на одном или УНТ УНТ расслоения.

Параметров процесса могут также влиять на удельную поверхность получены CNT-материал из N _{2-адсорбционных} измерений были получены следующие значения.:

Таблица 1. Удельная поверхность измеряется в ОСНТ и МСНТ-порошков.

Производство листов углеродных нанотрубок (Баки бумаг) впервые был описан Rinzler и соавт. [28 ], Как один шаг в процессе очистки ОНТ сырья. Систематической оптимизации параметров, влияющих Баки производства бумаги было сделано по производству этапов, показанных на схематическое изображение на рисунке 4.

В зависимости от размера и толщины, наконец, производится Баки бумаги (бумаги диаметром до 150 мм могут быть изготовлены) 40 мг до 500 мг порошка УНТ были рассеяны в 1% водного SDS (додецилсульфата натрия) раствора с использованием ультразвуковых помощи. Также другие поверхностно-активные вещества, как тритон Х можно использовать, но SDS, кажется, более эффективным. Ультразвуковая помощь необходима, чтобы разбить агломераты. Это может быть показано, что ультразвуковой наконечник более эффективно, чем ультразвуковой ванне. С ванной до 16 часов лечения необходимо для хорошей дисперсией, но лечение мягче. С ультразвуковым наконечником (диаметр 7 мм) типичное время лечения 30мин. Более длительное время лечения приводят к сокращению УНТ по оценке с помощью корреляционной спектроскопии фотона. Для удаления больших и undispersed частиц, последовательных центрифугирования в течение 15 мин 5000 оборотов в минуту рекомендуется. Полученные УНТ суспензию затем фильтруется с помощью 0 , 45 мкм поликарбоната мембранный фильтр. Кроме того, другие материалы, мембраны, как PVDF, PTFE, ПЭС или нейлона являются подходящими. Но наши наблюдения, что с компьютером мембраны отслаиваться из свежеприготовленной Баки бумаги проще. Фильтрации может быть сделано путем вакуумного или высокого давления фильтрации. На рисунке 5 представлены фотографии и фильтрации методами.

На рисунке 6 SEM две фотографии вместе с фотографиями получены Баки работ показано на рисунке. Левая часть показывает картину ВР производится с плохой набор параметров. Ультразвуковая обработка была сократить трубы, однако дисперсия не центрифугировали тщательно до фильтрации. Это может быть хорошо видно, что крупные агломераты CNT доминирует Баки бумаги, ведущие к хрупким листа. С оптимизированными параметрами хорошие запутанности УНТ и УНТ расслоения и стабильные Баки бумаги может быть получена.

Большинство производимых Баки бумаги были использованы для анализа их электромеханические свойства (срабатывание производительности) [29 , 30 ]. Для этого приложения, но и для использования Баки бумаги в качестве субстрата для культивирования клеток [31 ] , Остальные SDS должна быть удалена. TGA-измерений , осуществляется при ДТП , ясно показывают, что Баки бумаги должны быть промыты в 5 раз с 150 мл горячей воды, чтобы удалить избыток SDS в то время как холодная вода является менее эффективным.

Плазменной обработки Баки документы

Для измерения производительности срабатывания Баки бумаги или увеличить способность клеток для проведения расчетов и размножаться на него , гидрофилизации поверхности бумаги не требуется. Как производится Баки работ как правило, имеют несмачивающей свойства контакта с углами 90 ° до 130 °. Это может быть прослежена назад к гидрофобным характером УНТ. Для измерения электромеханические свойства , электролита требуется [32 ]. Гидрофилизации Баки работ за счет плазменной обработки должны привести к мгновенной смачивания и лучшему проникновению электролита в сетку УНТ.

Для оптимизации процесса плазма несколько параметров, должны быть рассмотрены в связи с их влиянием на вид и количество активных частиц в зоне плазмы. На рисунке 7 приведены наиболее важные из них.

Мы исследовали влияние мономера газа, мощность, поток газа, и сроки лечения. Оценка функционализации плазмы в основном осуществляется методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS / ESCA). На рисунке 8 типичных C1s спектры ОСНТ, МСНТ и плазменные лечение МУНТ показаны. ОНТ Баки бумаги в этом случае была сделана из дугового разряда сырья. Дополнительного пика примерно в 287 эВ, приписываемый   повышение функциональных кислорода более выражен для нанотрубок материал.

В литературе различные подходы были обсуждены касающиеся деконволюции C1s пик углеродных нанотрубок. Некоторые из них используют графит пик формы для большой пик на 284 , 6 эВ с хвостом на высоких энергий сайт связывания [33 , 34 , 35 ], Другие различия между SP ² - и ^3-зр углерода при 284 , 6 эВ (С1) и на 285 , 1 эВ (С2) , соответственно [36 , 37 .] Пиков с энергиями выше 290 эВ было бы интерпретировать как р - р * переход с (дрожание окна) [38 ] , как O = COC = O / карбонат [39 ] Или не уделялось должного внимания [40 ]. Три основных пика с центром в точке 286 , 7 эВ (С3) , 287 , 9 эВ (С4) , и 289 , 2 эВ (С5), которые возникают после плазменного окисления, как правило, связано с СО (алкоголь / эфир) , C = O (keton / aldehyd) , и OC = O (карбоксильные / эфир) групп , соответственно. Все компоненты были установлены с помощью гауссовского / лоренцевой (70/30) форма линии после линейного вычитание фона и постоянный пик позиции и FWHMs.

Для исследования роли гексагональных слоев на модификацию плазменных индуцированных мы сравнили МУНТ и нанотрубок материал, обработанный азотом, N ₂ / O ₂ (50:50), и кислородной плазмы, соответственно. Мощность плазмы был установлен в 10 Вт и применяются раз лечение было 10 сек или 10 мин соответственно. Получен элементный состав, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение элементного состава ОСНТ и МСНТ материала после различных методов лечения плазмы с повышенным окислительным потенциалом и 2 разное время лечения.

Как и ожидалось, больше времени лечения и высоким окислительным потенциалом плазмы привести к повышению содержания кислорода. Принимая пристальный взгляд на содержание кислорода она может, кроме того, сделал вывод, что во всех случаях степень кислорода функционализации выше для ОСНТ материала, чем для МУНТ материала. Это может быть объяснено информации глубину XPS. Функционализации МУНТ материала происходит только в крайних 1-3 CNT-слоев. Информация глубину XPS (около 5-10нм) включает в себя немодифицированные внутренних оболочек тоже, что приводит к уменьшению O / C-отношения для МСНТ.

Кислорода функциональные были существенно улучшилось после плазменной обработки в N ₂ (для ОУН увеличилась с 5,1 до 15,7 в%; для МУНТ выросла с 2,5 до 13,2 в%), тогда как включение азота была умеренной (0,5 до 2,5 в%). Это значительное поглощение кислорода можно объяснить, рассматривая большое количество дефектов, образующихся при плазменной обработки. Введение дефектов в гексагональной решетке покидает поверхность с очень высокой реакционной способностью сайтов способен адсорбировать кислород.

Высокая мощность и плазменные время лечения были эффективны не только познакомить кислорода функциональности на первые несколько слоев поверхности УНТ, но и для удаления аморфного углерода и даже уничтожить нанотрубки до полного сжигания (см. также следующий раздел). Это согласуется с уменьшением удельной поверхности измеряется в МСНТ Баки бумаги до и после лечения в Ar / O плазмы _2. В то время как сырье имеет удельную поверхность 368 ± 3 м ² / г нетронутой и плазменные лечение Баки бумаги приведены значения 203 ± 2 м ² / г и 188 ± 2 м ² / г соответственно. Поэтому плазменная обработка в оптимальных условиях может служить процесс очистки возможность для травления без кристаллического углерода связаны примесей.

Рисунок 10. СЭМ-фотографии выстроенных нанотрубок до и после плазменной обработки. После короткого времени лечения (10 сек) в 10 Вт мощности не нарушая видна в то время как более длительное лечение раза или увеличению мощности уничтожить форму трубы без открытия заглушки.

Мы обнаружили, что лечение кислородной плазмы приводит к значительному нарушению вертикальной конфигурации выравнивание даже после короткого времени обработки 60 сек. Ar / O ₂ - и H ₂ / O _2-смеси могут применяться примерно до 60 сек без сильного изменения формы трубки, тогда как более длительное время показывают те же вредные последствия. Плазменные лечения использовании снижается потенциалов окисления, как, производимые молекулярного азота приведены на неизменном вертикальной конфигурации CNT даже после 10 мин.

Кислота решений, таких как соляная кислота, как было показано, чтобы помочь открытие плазма рассматривается ОСНТ [41 ]. Плазменная обработка приводит к разрушению нанотрубки , позволяет HCl в реакцию с железом частиц катализатора и сжечь трубку шапки. В нашем исследовании , использованием плазмы рассматривается МСНТ (150 нм в диаметре) последовательных мокрой химической обработки после мягких условиях плазмы приводят к "типи потенциала" в УНТ за счет капиллярных сил, не открывая концах. 3D структуру сети иллюстрируется на SEM-фотографии рисунке 11. Мы предполагаем, что более суровых условиях (более длительное время лечения) необходимо подвергать частицы катализатора; такие исследования ведутся.