Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Uhlíkové nanotrubice Vlastnosti a uplatnění Ing. Eva Košťáková KNT, FT, TUL.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Uhlíkové nanotrubice Vlastnosti a uplatnění Ing. Eva Košťáková KNT, FT, TUL."— Transkript prezentace:

1 Uhlíkové nanotrubice Vlastnosti a uplatnění Ing. Eva Košťáková KNT, FT, TUL

2 Základní vlastnosti C-nanotrubic Vlastnosti uhlíkových nanotrubic jsou dány zejména: -Strukturním typem CNTs -Kvalitou CNTs Reaktivita, mechanické vlastnosti, tepelná odolnost, adsorbční vlastnosti, optické vlastnosti….. Obecně uhlíkové materiály jsou výbornými absorbenty a to proto, že snadno tvoří porézní struktury (saze, uhlíková vlákna, trubice atd.) K adsorbci pak dochází na povrch uhlíkových materiálů i mezi ně!

3 Základní vlastnosti C-nanotrubic Chemická reaktivita Chemická reaktivita uhlíkových nanotrubic je ve srovnání s reaktivitou grafenových plátů zvětšena v důsledku zvýšené křivosti! Menší průměr trubice = větší reaktivita! Rovný grafenový plát je téměř chemicky inertní!

4 Základní vlastnosti C-nanotrubic Chemická reaktivita

5 C Základní vlastnosti C-nanotrubic Chemická reaktivita Nejvhodnější energeticky – úhel 120° = šestiúhelníky v grafenu Jakmile se začne ohýbat či přestavovat (např. na pětiúhelník –úhel cca 109°) vzniká pnutí = větší reaktivita! Zakřivením grafenové roviny dojde k vytlačení  elektronů ze vnitř ven – mění se hustota elektronů nad a pod rovinou (respektive uvnitř a venku zakřivené roviny. Větší hustota elektronů pak představuje větší možnost chemické reakce – snadnější odštěpení elektronu. Zakřivování grafenu C C Vznikne kousíček „diamantové“ vazby - snížení elektronové hustoty okolo atomu C. Vertikální vazba je delší a méně pevná než v diamantu – jiné úhly mezi vazbami!

6 Chemická reaktivita Základní vlastnosti C-nanotrubic Extrémně malé objekty = velký specifický povrch, kterým mohou interagovat se svým okolím. Oproti grafenovým plátům nemají žádné volné „konce“ (reaktivita polyaromatických pevných látek je uskutečňována hlavně přes konce grafenových plátů). Rovný povrch grafenových plátů je téměř chemicky inertní X Zkroucení (poloměr křivosti) CNTs = více reaktivní materiál. (přechod z sp 2 téměř k sp 3 hybridizaci) Reaktivita u SWNTs a c-MWNTs je uskutečňována hlavně skrze konce („čepičky“) uzavřených uhlíkových nanotrubic (obsahují také pětiúhelníky). Chemická reaktivita je spojena i s množstvím defektů v nanotrubicích – čím více „defektů“ tím větší reaktivita – závisí na syntéze nanotrubic a na jejich typu (h-MWNTs).

7 Základní vlastnosti C-nanotrubic Chemická reaktivita Otvírání nanotub – např. oxidací (oxidačními činidlo – Cl, O 2,…) -Reakce začíná na nestabilnějších – chemicky reaktivnějších pětiúhelnících (zakřivení + menší úhel) -Naváže se oxidační činidlo (např. Cl) – tím se oslabí elektronová hustota na okolních vazbách („přestane je chránit obal z  elektronů“) a ty mohou snadněji povolit -Dojde k otevření C-nanotrubice

8 Povrchové modifikace CNTs -nejčastěji kvůli lepší dispergovatelnosti CNTs v roztocích -Hraje důležitou roli v uplatnění CNTs v kompozitních materiálech, kde zajišťuje pevnou vazbu vlákno-matrice a tím dobré mechanické vlastnosti kompozitu -Realizace buď přes kovalentní vazby a nebo přes nekovalení vazby (vodíkové můstky, Van der Waalsovy síly atd.) -Kovalentní vazby – chemická funkcionalizace = OXIDACE, FLUORACE, AMIDACE atd. - Dvě cesty funkcionalizace CNTs: buď připojením organických skupin ke karboxylovým skupinám formovaným oxidací v silných kyselinách nebo přímé navázání přes povrchovou dvojnou vazbu.

9 Povrchové modifikace CNTs Oxidace – nejčastější metoda -koncentrovaná kyselina dusičná, nebo směsi kyseliny sírové s kyselinou dusičnou, peroxidem vodíku atd. = vznikají kyselé skupiny-COOH, C=O, -OH -Koncentrace skupin na CNTs cca sites/g Oxidované CNTs ve vodných roztocích… Fluorizace Fluorizované CNTs v kompozitech s PEO

10 Otvírání uhlíkových nanotrubic Nezávisle na metodě výroby mají SWNTs velký poměr stran (10 3 – 10 4 ) a uzavřené konce. Otevřít konce (pokud to vyžaduje aplikace) je nutné v následném kroku. Otevřené konce nabízejí řadu uplatnění trubic = kanály pro tok tekutin s nízkým povrchovým napětím = = molekulární separátory, detektory molekul atd. CNTs musí být otevřeny, aby se mohl vnitřní prostor něčím naplnit = = hybridní CNTs.

11 Otvírání uhlíkových nanotrubic Nejjednodušší a nejobvyklejší metoda otevírání CNTs je jejich OXIDACE. Oxidace je doprovázena funkcionalizací CNTs kyslík obsahujícími skupinami. Pro oxidaci se používá například koncentrovaná HNO 3, H 2 SO 4 + ultrazvuk, mikrovlny atd. Oxidace nevede jen k otevírání konců, ale i k redukci délky a průměru (u MWNTs) a „zlámání“ zapletených či deformovaných trubic. Dlouhotrvající oxidace SWNTs vede k amorfizaci a tedy kompletní destrukci CNTs. Svazky SWNTs před oxidací ( 30) = = H-můstky mezi –COOH skupinami. Nanotubes and nanofibers, Y. Gogotsi, CRC press, 2006, ISBN –9387-6

12 ADSORBCE … KAPILARITA = MOŽNOST ADSORBCE Obecně uhlíkové materiály jsou výbornými absorbenty a to proto, že snadno tvoří porézní struktury (saze, uhlíková vlákna, trubice atd.) K adsorbci pak dochází na povrch uhlíkových materiálů i mezi ně! Základní vlastnosti C-nanotrubic

13 Adsorpční schopnosti Extrémně malé objekty = velký specifický povrch, kterým mohou „komunikovat“ se svým okolím. Ideálně: specifický povrch SWNTs je větší než specifický povrch MWNTs. SWNTs – m 2 g -1 MWNTs – m 2 g -1 Experiment: B.E.T. analyza = adsorbce dusíku (atmosféra dusík + hélium, dusík + vodík atd. – větší a těžší molekuly se navážou dříve) na povrch nanotrubic a zjišťování kolik molekul se navázalo na povrch (např. tepelnou vodivostí, hmostností, …). Problémy při nedokonalém oddělení nanotrubic, při tvorbě shluků či svazků. 1 molekula dusíku = desetiny nm 2

14 Základní vlastnosti C-nanotrubic Elektrická vodivost Kovaletní vazba Sdílení elektronů mezi sousedními atomy. Kovová vazba Valenční elektrony jsou síleny všemi atomy.

15 Základní vlastnosti C-nanotrubic Elektrická vodivost Závisí na chirálním vektoru uhlíkových nanotrubic – tedy na struktuře! Uhlíkové nanotrubice s malým průměrem se chovají buď jako polovodiče nebo jako kovy. Kovová vodivost – „křesílková“ struktura (chirální úhel = 30°) Nejpřímější cesta pro elektrony! Pomůcka – délka cesty pro elektrony!

16 Elektrická vodivost Základní vlastnosti C-nanotrubic

17 Mechanické vlastnosti CNTs – trvalá deformace není – vždy se to křehce přetrhne! Youngův modul pružnosti v tahu cca 1TP! Měření mech. vlastností – Pomocí speciálních mikroskopů (AFM nebo SEM nebo TEM) – na vzorek se pouští definované vlnění (proud elektronů, laser,…) a zaznamenávají se vibrace nebo deformace CNTs (E= .v 2 ; E – modul,  -hustota, v-rychlost šíření impulsu) Jednotlivé literární zdroje = různé hodnoty.

18 Základní vlastnosti C-nanotrubic Mechanické vlastnosti Délka vazby: grafit - 0,142nm (v šestiúhelníku = v grafenu) mezi 33,5nm; diamant 0,154nm Pevnost vazby (její narušitelnost) souvisí s délkou vazby! Čím delší vazba tím snadněji je narušitelná! Grafit vazby kratší a ještě jsou chráněny pomocí  elektronů. Z diamantu vlákno udělat nelze – všechny 4 vazby jsou rovnocenné a tedy roste přednostně do prostoru. Mechanickým vlastnostem CNTs pomáhá také struktura nanotrubic – do směru namáhání! !!! Vady ve struktuře – prudký pokles hodnot mechanických vlastností! = Mechanické vlastnosti jsou dány výrobním postupem CNTs!

19

20 Nanotubes and nanofibers, Y. Gogotsi, CRC press, 2006, ISBN – Příze-nit vyrobená tažením a zakrucováním MWNTs vyrobených pomocí CVD metody. Zákrut = lepší mechanické vlastnosti celku nitě !

21 Základní vlastnosti C-nanotrubic Tepelná odolnost SWNTs – stabilní do 750°C na vzduchu (ale jen krátkodobě, při delším působení nastává degradační oxidace) - stabilní do °C v interní atmosféře (dusík, argon), dále dojde k přetvoření na polyaromatickou pevnou látku Pro MWNTs – podobné hodnoty (trochu nižší – mezi jednotlivými vrstvami snadnější přeskok na pevný grafit) Čím víc defektů – tím dříve začíná oxidace = „hoření“ (grafit – hodně konců – 650°C)!

22 Základní vlastnosti C-nanotrubic Povrchové vlastnosti CNTs Hydrofóbní chování -Špatně dispergovatelné ve vodě a vodných roztocích (dobře pouze při vhodné povrchové modifikaci např. –OH, - COOH) Dobře dispergovatelné v organických rozpouštědlech.

23 NEJČASTĚJŠÍ PRŮMYSLOVÉ VYUŽITÍ UHLÍKOVÝCH NANOTRUBIC

24 Carbon nanotubes - applications Sensory, sondy a detektory Díky pevnosti a ohebnosti a malým rozměrům mohou být CNTs použity jako skenovací sondy či detektory. Např. AFM (atom force microscope) – vodivá MWNTs – jako detektor povrchu zkoumaného vzorku. Výhody – zvětšení rozlišení výsledného obrazu oproti dříve používaným křemíkovým či kovovým hrotům (křehké, relativně velké). Jsou potřeba spíše kratší CNTs – dlouhá nanotuba se při pohybu po povrchu vzorku rozechvívá a to může rušit výsledný obraz. SWNTs- průměr 1,4nm; délka 10  m Obvykle platí cca 7000x rozdíl průměr x délka Představa: Dutá špageta o délce 200m.

25 Carbon nanotubes - applications SEM image of MWNT mounted onto a regular ceramic tip as a probe for AFM. Atom force microscopy TIPs

26

27 Biomedical – biosensors: the use of the internal cavity of nanotubes for drug delivery would be amazing application Systémy s řízeným dodáváním léčiv - Na povrchu či v dutině Catalyst support Nosiče katalyzátorů – velký povrch, velká teplená odolnost,… Carbon nanotubes - applications

28 Composites: metal matrix composites, ceramic matrix composites, polymer matrix composites Kompozitní nanomateriály CNTs – výztužný materiál SWNTs, MWNTs, C-nanovlákna + Termoset and thermoplastic matrixes (epoxy resin, polyamide, phenol, polypropylene, polystyrene, polymetylmetakrylate etc. CNTs in polypropylene matrix CNTs in epoxy resin Carbon nanotubes - applications

29 Kompozitní nanomateriály CNTs – výztužný materiál Carbon nanotubes - applications Díky mechanickým vlastnostem jsou CNTs vhodnými kandidáty na konstrukční kompozitní aplikace. Kompozitní materiály vyztužené CNTs se vyznačují: Velkou pevností, tuhostí a ohebností, zvýšenou elektrickou vodivostí a Nízkou měrnou hmotností (hustotou) Problémem jsou shluky nanotrubic přirozeně se tvořící v kapalné matrici – je nutné nanotrubice ojednocovat (metody viz. 10. přednáška)

30 Průmyslové využití CNTs – příklady od firmy Nanocyl (Belgie) Nehořlavé nátěry Epoxidové směsiVodné disperze Antistatické nátěry Vodivé plasty Termoplastické polymery s obsahem CNTs pro aplikace vyžadující elektrickou vodivost. Obvykle obsahují 15–20 hm % uhlíkových nanotrubic PC, PP, PA, PET, HDPE, POM a další. Výhodné pro tvorbu kompozitních materiálů – zvýšení ohybové tuhosti, zvýšení pevnosti, zlepšení tepelné odolnosti, atd Disperze obsahují iontovou povrchově aktivní látku pro dosažení výborné dispergovatelnosti trubic a stability roztoku.

31 Nehořlavé nátěryAntistatické nátěry Průmyslové využití CNTs – příklady od firmy Nanocyl (Belgie) MWNTs v silikonové pryskyřici. Elektrická vodivost vlastnosti v kombinaci s vynikající přilnavostí na široké spektrum substrátů (sklo, dřevo, kovy, kompozity a termoplasty), spolu s lepší odolnost proti oděru a poškrábání. MWNTs v silikonové pryskyřici. Vynikající tepelné odolnosti (zabraňující hoření) spolu s přilnavostí k celé řadě povrchů.

32 Carbon nanotubes - applications Skladování vodíku – potenciální aplikace Výhodou vodíku jako zdroje energie je to, že při jeho spalování vzniká voda. Vodík je možné snadno obnovit. = Výborný zdroj energie! Ovšem je nutné nalézt vhodný mechanismus skladování (hmotnost, objem, cena!). CNTs – skladování ve vnitřní dutině - kapilarita (otevření oxidací – uvolnění dusíku) - skladování fyzikální adsorbcí na povrch CNTs – uvolnění zahřátím Chybí – dokonalé pochopení procesu skladování vodíku a vlivy různých materiálů na proces jeho skladování – VÝVOJ!!!

33 Carbon nanotubes - applications Skladování vodíku – potenciální aplikace

34 Carbon nanotubes - news Nanotube water doesn’t freeze – even at hundreds of degrees below zero!!!

35 Carbon nanotubes - references Bhushan, B.: Springer Handbook of Nanotechnology, Springer (2004), ISBN , pp Hillert, M., Lange, N.: The structure of graphite filaments, Zeischr. Kristall., Vol. 111, pg (1958) Hughes, T., V., Chambers, C., R.: US patent 405,480 (1889) Maruyama,B., Alam, A.: Carbon nanotubes and nanofibers in composite materials, SAMPE J. Vol. 38, pg (2002) Schutzenberger, P., Schutzenberger, L.: Sur quelques faits relativa a l’histoire du carbone, C.R. Academy of Science Paris, Vol.111, pg (1890) Pélabon, D., Pélabon, H. : Sur une variété de carbone filamenteux, C. R. Academy of Science Paris, Vol. 137, pg (1903) Iijima, S. : nature 354, pg. 56 (1991) Iijima, S., Ichihashi, T. : Singe-shell carbon nanotubes of 1nm diameter, Nature, Vol. 363, pg (1993) Bethune, D., S., Kiang, C., H., de Vries, M., S., Gorman, and co.: Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls, Nature, Vol. 363, pg (1993) Ledoux,M.,J., Vieira, R., Pham-Huu, C., Keller, N.: New catalytic phenomena on nanostructured (fiber and tubes) catalysts, Journal of Catalysis, 216 (2003), pg Robertson, S., D.: Nature Vol. 221, pg (1969) Tersoff, J., Ruoff, R., S.: Structural properties of a carbon – nanotube crystal, Physical Review Letters, Vol. 73, pg (1994) Dujardin, E., Ebbesen, T., W., Hiura, H., Tanigaki, K.: Capillarity and wetting of carbon nanotubes, Science, Vol. 265, pg (1994) Kroto, H., W., Heath, J., R. et al.: C60 Buckminsterfullerene, Nature, Vol. 318, pg (1985) Guo,T. et al.: Self-assembly of tubular fullerenes, Journal of Physical Chemistry, Vol. 99, pg (1995) Guo, T. et al.: Catalytic growth of single-walled nanotubes by laser vaporization, Chem. Phys. Lett., Vol. 243, pg (1995) Laplaze, D. et al.: Carbon nanotubes: The solar approach, carbon, Vol.36, pg (1998) Dai, H. et al.: Single-walled nanotubes prodiced by metal-catalysed disproportionation of carbon monoxide, Chem. Phys. Lett., Vol.260, pg (1996) Peigney, A. et al.:Specific surface area of carbon nanotubes and bundles of carbon nanotubes, Carbon, Vol.39, pg (2001) Rodrigues-Reinoso, F.: The role of carbon materials in geterogeneous catalysis, Carbon, Vol. 36, pg (1998) Auer, E. et al.: Carbon as support for industrial precious metal catalysts, Appl. Catal. A, Vol.173, pg (1998)


Stáhnout ppt "Uhlíkové nanotrubice Vlastnosti a uplatnění Ing. Eva Košťáková KNT, FT, TUL."

Podobné prezentace


Reklamy Google