Μελέτη νανοσωλήνων άνθρακα ως καταλυτικών υποστρωμάτων: βελτιστοποίηση της παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα με τη μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών

Abstract

The main goal of this research was the investigation of the influence of catalytic and operational parameters on the rate of growth and quality of carbon nanotubes via chemical vapor deposition of ethylene. Deposition experiments were carried out in a thermogravimetric reactor, while the products of the reaction were characterized by different methods. Controlled explosive burning of precursor compounds was found to be the most effective technique of preparation of the monometallic catalyst Fe₂O₃/Al₂O₃. Moreover, the optimal loading of Fe₂O₃ was proven to be 75% wt. During the study of bimetallic catalysts M- Fe₂O₃/Al₂O₃ (M, Ru, Ni, Co, Mo), it was found that the nature of the metal (M) and the preparation technique affect significantly the rate of growth and quality of the multi-walled carbon nanotubes. In particular, co-precipitation technique is preferred when M-Mo or M=Ru, while burning technique for M=Co and M-Ni. Especially, in the case of M=Ni, the prepare catalyst exhibits the highest yield of nanotubes, approximately 36 times the weight of the catalyst. Finally, the optimal reaction temperature and the optimal concentration of C₂H₄ in the gas feed, were 650°C and 20% respectively.

Ο βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να εξερευνηθεί η επίδραση καταλυτικών και λειτουργικών παραμέτρων στο ρυθμό της ανάπτυξης και την ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα μέσω της χημικής εναπόθεσης ατμών αιθυλενίου. Τα πειράματα εναπόθεση διεξήχθησαν σε θερμοβαρυμετρικό αντιδραστήρα, ενώ τα προϊόντα της αντίδρασης χαρακτηρίστηκαν με διάφορες μεθόδους. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων ενώσεων βρέθηκε ότι είναι η πιο αποδοτική τεχνική για την Παρασκευή του μονομεταλλικού καταλύτη Fe₂O₃/Al₂O₃. Επίσης, η βέλτιστη φόρτιση σε Fe₂O₃ αποδείχθηκε ότι είναι η 75% κβ. Κατά την εξέταση των διμεταλλικών καταλυτών M- Fe₂O₃/Al₂O₃ (M, Ru, Ni, Co, Mo), βρέθηκε ότι η φύση του μετάλλυ (Μ) και η τεχνική παρασκευής τους, επηρεάζει σημαντικά το ρυθμό ανάπτυξης και την ποιότητα των πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα. Συγκεκριμένα, η μέθοδος της συγκαθίζησης ενδείκνυται όταν M=Mo ή M=Ru, ενώ αυτή της καύσης για M=Co ή M=Ni. Ειδικά για M=Ni, ο παραγόμενος καταλύτης παρουσιάζει την υψηλότερη απόδοση σε νανοσωλήνες, ίση περίπου με 36 φορές το βάρος του. Τέλος, η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης και η βέλτιστη συγκέντρωση του C₂H₄ στη τροφοδοσία ήταν οι 650°C και η 20% αντίστοιχα.