روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی؛ قسمت اول

روش تخلیه قوس الکتریکی

اولین روش تولید نانولوله‌ی کربنی، فرایند قوسی است که در سال 1991 توسط ایجیما(Iijima)  در ژاپن پایه‌گذاری شد. با فاصله زمانی کمی این روش با فن سایش لیزری در دانشگاه رایس(Rices)  توسعه یافت. در پنج سال اخیر روش رسوب گذاری شیمیایی (CVD)، روش متداول در رشد نانولوله‌ها شده است. شکل فرایند و رشد ایده‌آل، بستگی به کاربرد نانولوله‌ها دارد. برای کاربردهای کامپوزیتی و کاربردهای سازه‌ای، احتیاج به روشی است که بتواند در روز چندین تن تولید داشته باشد. بر خلاف این مورد در کاربردهای نانوالکترونیک، تشعشع میدانی، نمایشگرها و حسگرها نیاز به رشد کنترل شده (ضخامت معین) نمونه‌ها می‌باشد. روش‌های سنتز نانولوله‌های کربنی متنوع بوده و از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge)

2.  سایش لیزری ( Laser ablation)

3. رسوب شیمیایی فاز بخار

4. روش الکترولیز

5. استفاده از انرژی خورشیدی (Solar Production)

در این میان، سه روش اول از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و بیشتر از بقیه روش‌ها، برای تولید نانولوله‌های کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به شرح روش تخلیه قوس الکتریکی پرداخته می‌شود و در سایر بخش‌ها روش‌های دیگر بررسی خواهد شد.

1. روش تخلیه قوس الکتریکی

این روش نخستین بار توسط ایجیما در سال 1993 برای تولید نانولوله‌های تک دیواره به کار گرفته شد. در سال 1997، ژُرنت (journet) و همکارانش با بهینه‌سازی پارامترهای فرایند، توانستند نانولوله‌های تک دیواره با خلوص و راندمان بالا به دست آورند.

شکل 1

در این روش، از دو میله گرافیتی به عنوان الکترود (کاتد و آند) استفاده می‌شود. در امتداد محور آند حفره‌ای ایجاد شده و با مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیست پُر می‌گردد. کاتد و آند مطابق شکل 2، به صورت افقی درون یک رآکتور نصب می‌شوند. پس از برقراری خلأ مناسب و با ورود گاز هلیوم، یک جریان DC بین 50 تا 100 آمپر از میان دو الکترود گرافیتی عبور می‌کند و قوس الکتریکی بین دو الکترود ایجاد می‌گردد. گرمای زیاد حاصل از قوس الکتریکی، آند گرافیتی تو خالی را تبخیر و یونیزه می‌کند. کاتیون‌های کربن اتمی تولید شده، به طرف کاتد حرکت کرده و با گرفتن الکترون بر روی سطح کاتد شروع به رشد می‌کنند. علی‌رغم سهولت این روش در تولید نانولوله‌های کربنی، مقدار کربن آمورف تولید شده در این روش زیاد بوده و فرایند پیوسته نیست. همچنین اندازه الکترودها و رآکتور، راندمان واکنش را محدود می‌سازند.

شکل 2

محصول روش قوس الکتریکی، معمولاً محتوی نانولوله‌های چنددیواره می‌باشد که به شرایط آزمایش مانند جریان قوس الکتریکی، فشار و نوع گاز بستگی دارد. در سال 2000، هویمینگ( Huiming) و همکارانش روشی را ارائه دادند که طی آن توانستند نانولوله کربنی تک‌دیواره با خلوص بالاتر به دست آورند. در این روش، از پودر گرافیت و کاتالیست‌های فلزی آهن، کبالت، نیکل، ایتریم و نیز گوگرد استفاده شد. نقش گوگرد در اینجا بهبود شرایط رشد نانولوله‌های کربنی است. در این روش، شکل رآکتور باید استوانه‌ای باشد و الکترودها نیز نباید بر هم عمود باشند بلکه باید زاویه‌ای بین 30 الی 80 درجه داشته باشند. تغییر این زاویه می‌تواند بر کیفیت و مورفولوژی محصول تأثیر داشته باشد (شکل 3). طی آزمایشات انجام شده مشخص شده است که محصول تولیدی قابلیت خوبی برای جذب و ذخیره‌سازی هیدروژن دارد.

شکل 3

در روش قوس الکتریکی، فشار گاز، عامل مهمی در میزان راندمان است، به نحوی که بهترین راندمان تولید نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در فشارهای بالا (بیش از 500torr) به دست آمده است. البته این راندمان به ولتاژ مورد استفاده نیز بستگی دارد.

برای تولید نانولوله‌های کربنی توسط روش تخلیه قوس الکتریکی، از عناصر فلزی مختلفی مثل گادولینیم، کبالت-پلاتین، کبالت-روتنیم، کبالت، نیکل-ایتریم، رودیم-پلاتین، کبالت-نیکل-آهن-سریم( Gd, Co-Pt, Co-Ru, Co, Ni-Y, Rh-Pt, Co-Ni-Fe-Ce ) به عنوان کاتالیست استفاده شده است. البته در آزمایشات مشخص شده که کاتالیست نیکل- ایتریم برای تولید نانولوله‌های تک‌دیواره، راندمان تولید را تا 90% افزایش می‌دهد.

این روش نیاز به الکترودهای گرافیتی با خلوص بالا و ذرات فلزی و گازهای هلیوم، آرگون، یا هیدروژن با خلوص بالا دارد. به علاوه، محصول تولید شده توسط این روش، نیاز به عملیات خالص‌سازی نیز دارد. بنابراین، این روش، روش گرانی است.

گردآوری:مریم ملک دار

 http://www.tebyan.net/Science_Technology/Nanotechnology/2008/10/12/76438.html