Ανάπτυξη μεθόδων παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα μέσω χημικής απόθεσης από ατμό

Abstract

The main goal of this research was the development of a new method for the production of carbon nanotubes, based on chemical vapor deposition (CVD), which employs a liquid carbon source. In addition, a detailed investigation of the effect of several parameters (carbon source, deposition temperature, kind and metal concentration and support, hydrogen addition e.t.c.) on both the process and the final carbon product was carried out. For this purpose, a CVD experimental apparatus was developed, which uses vapors of liquid precursors and allows the continuously recording of sample weight changes in correlation with time. In some cases, a mass spectrometer was used as a way to determine the kind of processes that take place in the gas phase during carbon deposition. The solid product was characterized using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy and thermogravimetric analysis (TGA). The experimental results led to the conclusion that ethanol vapors are preferable because they lead to higher yield of both multi-wall and single-wall carbon nanotubes. Also, it was proved that the presence of a metal catalyst and support is necessary, because the first one is the active site of carbon nanotubes formation, and the second leads to the deposition of carbon in this form. Additionally, it was proved that the use of hydrogen in the gas mixture of the process is very important, as a way to reduce catalyst, leading to the formation of metalic single-wall carbon nanotubes of very small diameter (0.45nm).

Στόχος της διδακτορικής αυτής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας μεθόδου παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα η οποία στηρίζεται στη χημική απόθεση ατμών, χρησιμοποιώντας ως πηγή του άνθρακα ενώσεις σε υγρή μορφή, όπως οι αλκοόλες. Επιπρόσθετα μελετήθηκαν διάφορες παράμετροι της πειραματικής διαδικασίας (πηγή άνθρακα, θερμοκρασία απόθεσης, είδος και συγκέντρωση μετάλλου και υποστρώματος, παρουσία υδρογόνου κ.ά.), τόσο ως προς την επίδρασή τους στο ρυθμό εξέλιξης της διεργασίας, όσο και ως προς το είδος των παραγόμενων προϊόντων, με σκοπό τη στοχευμένη παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα με συγκεκριμένες ιδιότητες. Η κύρια πειραματική διάταξη αποτελούνταν από έναν θερμοβαρομετρικό αντιδραστήρα, ο οποίος επέτρεπε τη συνεχή μέτρηση των μεταβολών του βάρους του δείγματος σε συνάρτηση με το χρόνο, ενώ και φασματογράφος μάζας ήταν συνδεδεμένος στην έξοδο του αντιδραστήρα για να μελετηθεί η αέρια φάση των αντιδράσεων. Τα προϊόντα προκειμένου να πιστοποιηθούν ως προς το είδος των νανοσωλήνων που παρήχθησαν, χαρακτηρίστηκαν με τη βοήθεια ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και διερχόμενης δέσμης (TEM), καθώς και με φασματοσκοπία Raman και θερμοσταθμική ανάλυση (TGA). Τα αποτελέσματα των πειραμάτων οδήγησαν στο συμπέρασμα πως οι ατμοί της αιθανόλης είναι καλύτερη πηγή άνθρακα σε σύγκριση με της μεθανόλης, οδηγώντας μάλιστα στη παραγωγή μίγματος πολυφλοιϊκών και μονοφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα, με καθαρότητες που ξεπερνούσαν το 90%. Επιτακτική αποδείχθηκε η παρουσία του μετάλλου, το οποίο και αποτελεί το κέντρο πυρημοποιήσης για την ανάπτυξη των νανοσωλήνων, ενώ καθοριστική είναι και η χρήση υποστρώματος προκειμένου ο άνθρακας να αποτεθεί με τη μορφή αυτή. Επιπρόσθετα, η παρουσία του υδρογόνου αύξησε σημαντικά το ποσοστό του άνθρακα που αποτέθηκε οδηγώντας μάλιστα στο σχηματισμό μεταλλικών μονοφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα πολύ μικρής διαμέτρου, η οποία υπολογίστηκε ίση με 0.45nm.