1 ЛЕКЦИЯ 13. Плазмохимические методы получения углеродных наноструктур 1.Наноуглерод 2.Фуллерены 3.Нанотрубки 4.Наноалмазы 5.Нанолуковицы 6.Углеродное волокно

2 Конец XX века ознаменовался открытием новых форм углерода, представляющих собой замкнутые структуры, поверхность которых выполнена шестиугольниками и пятиугольниками с атомами углерода в вершинах. Разновидностями этих новых углеродных структур являются фуллерены и нанотрубки. Открытие фуллеренов отмечено Нобелевской премией по химии за 1996 год. Структуры фуллеренов С60 и С70, составленные из пятиугольных и шестиугольных колец углерода.

3 Углеродные нанотрубки (УНТ). Это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон Структура однослойной нанотрубки. УНТ сочетают в себе свойства молекул и твердого тела и могут рассматриваться как промежуточное состояние вещества (молекулярным и конденсированным).

4 Интерес к получению и исследованию поверхностных структур углерода связан с важными обстоятельствами: 1.Фундаментальный интерес, который вызван новыми структурными особенностями и физико-химическими характеристиками этих объектов. Наличие внутри фуллерена и нанотрубки замкнутой полости, размер которой сопоставим с характерными размерами атома или небольшой молекулы, позволяет создавать эндоэдральные структуры, в которых одна или несколько атомных частиц заключены внутрь графитовой оболочки. 2. Прикладное использование Необычные физико-химические свойства фуллеренов и УНТ составляют основу для множества направлений прикладного использования этих объектов.

5 3. Высокое аспектное отношение благодаря которому напряженность электрического поля в окрестности головки нанотрубки в сотни раз превышает соответствующее среднее по объему значение напряженности электрического поля, создаваемого внешним источником. Это, в свою очередь, приводит к аномально высокому значению тока эмиссии при сравнительно низком напряжении, приложенном к УНТ, что ставит эмиттеры с катодами, содержащими УНТ, вне конкуренции среди приборов, действие которых основано на полевой автоэлектронной эмиссии 4. Аномально высокая удельная поверхность Поскольку УНТ является поверхностной структурой, вся ее масса заключена в поверхности ее слоев. Это определяет аномально высокую удельную поверхность нанотрубок, что, в свою очередь, задает особенности их электрохимических и сорбционных характеристик.

6 1. Процессы термического распыления графита в атмосфере инертного газа под действием лазерного или сфокусированного солнечного облучения. 2. Дуговой разряд 3. Химические процессы, происходящие при высокотемпературном взаимодействии углеводородов с металлическими катализаторами. - процессы термокаталитического распада углеводородов - химическое осаждение паров углерода из плазмы, содержащей углеводороды 4. Электролитический метод, основанный на пропускании электрического тока через графитовые электроды, помещенные в жидкий электролит; 5. Твердотельный пиролиз тугоплавких соединений углерода 6. В пламенах в результате сгорания углеводородов. Методы получения фуллеренов

7 Впервые молекулы фуллеренов C 60 и С 70 были получены Крото, Смолли, Керлом и др. в 1985 г. на установке для получения и исследования кластеров углерода, образующихся при лазерном облучении поверхности графита. В качестве источника излучения использовалось лазерное излучение (длина волны 532 нм) с длительностью импульсов 5 нc и энергией мДж. Поток кластеров углерода, образующихся в результате термического испарения графита в атмосфере гелия при давлении несколько атмосфер, направлялся в масс-спектрометр, где измерялось распределение кластеров по массам. Масс-спектр кластеров углерода.

8 Наиболее простой и эффективный способ реализации таких условий, разработанный в 1990 г. Кретчмером и Хаффманом, основан на использовании электрической дуги с графитовыми электродами. Условия синтеза фуллеренов: - неравновесное (повышенное) содержание свободных атомов углерода - присутствие буферного газа. Схема установки для получения фуллеренов из графита электродуговым методом.

9 Схема экспериментальной установки с принудительным продольным продувом буферного газа. а) общая схема; б) схема газового инжектора. 1 - водоохлаждаемая разрядная камера; 2 - источник питания; 3, 4-насосы; 5 - вакуум-насос, 6 - основание катода, 7- основание анода; 8 - анод; 9 - катод; 10 - отверстие в катоде; 11 - каналы для выхода газа; 12- газовый поток в межэлектродном промежутке

10 Впервые получение фуллеренов из частиц аморфного углерода описано еще в 1992 г. Питание плазмотрона осуществляется от двух источников: источник постоянного тока мощностью 5 кВт источник ВЧ возбуждения мощностью 20 кВт, работающий на частоте 4 МГц. Схема установки для получения фуллеренов из мелкодисперсного углерода Зависимость выхода фуллеренов от скорости подачи частиц аморфного углерода.

11

12

13

14 Наноалмазы обладают рядом важных физико-химических свойств: - размер алмазного ядра первичных частиц равен 4-6 нм, - высокоразвитая поверхность материала (до 420 м 2 /г); - наноалмазы обладают химической устойчивостью к агрессивным факторам и механической прочностью

15

16

17

18

19

20