Углеродное нановолокно - Carbon nanofiber

Обычные углеродные нановолокна.
Углеродное нановолокно с наборной чашкой: электронная микрофотография (слева) и модель (справа).

Углеродные нановолокна (CNF) , углеродные волокна, выращенные из пара (VGCF) или углеродные нановолокна, выращенные из пара (VGCNF), представляют собой цилиндрические наноструктуры со слоями графена, расположенными в виде уложенных друг на друга конусов , чашек или пластин. Углеродные нановолокна со слоями графена, свернутыми в идеальные цилиндры , называются углеродными нанотрубками .

Введение

Углерод обладает высоким уровнем гибкости химической связи, что позволяет образовывать ряд стабильных органических и неорганических молекул . Элементарный углерод имеет ряд аллотропов (вариантов), включая алмаз , графит и фуллерены . Хотя все они состоят из элементарного углерода, их свойства сильно различаются. Это подчеркивает универсальность УНВ, которые отличаются улучшенными тепловыми, электрическими, электромагнитными экранами и улучшенными механическими свойствами. Поскольку углерод легко доступен по низкой цене, УНВ являются популярными добавками к композитным материалам . УНВ очень малы, существуют в нанометровом масштабе. Размер атома составляет от 0,1 до 0,5 нм, поэтому для изучения свойств УНВ требуются специальные микроскопические методы, такие как сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия .

Синтез

Каталитическое химическое осаждение из паровой фазы (CCVD) или просто CVD с такими вариантами, как термическое и плазменное, является доминирующим коммерческим методом для производства VGCF и VGCNF. Здесь молекулы газовой фазы разлагаются при высоких температурах, и углерод осаждается в присутствии катализатора переходного металла на подложке, где происходит последующий рост волокна вокруг частиц катализатора. Как правило, этот процесс включает отдельные стадии, такие как разложение газа, осаждение углерода, рост волокна, утолщение волокна, графитизация и очистка, в результате чего образуются полые волокна. Диаметр нановолокна зависит от размера катализатора. Процесс CVD для производства VGCF обычно делится на две категории: 1) процесс с фиксированным катализатором (периодический) и 2) процесс с плавающим катализатором (непрерывный).

В периодическом процессе, разработанном Тиббетсом, смесь углеводород / водород / гелий пропускали через муллит (кристаллический силикат алюминия) с мелкими отложениями железных частиц катализатора, поддерживаемых при температуре 1000 ° C. В качестве углеводорода использовали метан в концентрации 15% по объему. Рост волокна в несколько сантиметров был достигнут всего за 10 минут при времени пребывания в газе 20 секунд. Как правило, длину волокна можно регулировать с помощью времени пребывания газа в реакторе. Гравитация и направление потока газа обычно влияют на направление роста волокна.

Процесс с непрерывным или плавающим катализатором был ранее запатентован Кояма и Эндо, а позже был модифицирован Хатано и его коллегами. Этот процесс обычно дает VGCF с субмикрометровым диаметром и длиной от нескольких до 100  мкм , что соответствует определению углеродных нановолокон. Они использовали металлоорганические соединения, растворенные в летучем растворителе, таком как бензол , которые давали бы смесь ультратонких частиц катализатора (диаметром 5-25 нм) в углеводородном газе при повышении температуры до 1100 ° C. В печи рост волокон начинается на поверхности частиц катализатора и продолжается до тех пор, пока не произойдет отравление катализатора примесями в системе. В механизме роста волокна, описанном Бейкером и соавторами, только часть частицы катализатора, подвергающаяся воздействию газовой смеси, способствует росту волокна, и рост прекращается, как только открытая часть покрывается, т.е. катализатор отравлен. Частица катализатора остается погребенной в кончике роста волокна с конечной концентрацией около нескольких частей на миллион. На этом этапе происходит утолщение волокна.

Наиболее часто используемым катализатором является железо , часто обрабатываемое серой , сероводородом и т. Д. Для снижения температуры плавления и облегчения его проникновения в поры углерода и, следовательно, для образования большего количества центров роста. Fe / Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO и Al 2 O 3 также используются в качестве катализатора. Ацетилен , этилен , метан , природный газ и бензол - наиболее часто используемые углеродсодержащие газы. Часто оксид углерода (СО) вводится в газовый поток для увеличения выхода углерода за счет снижения возможных оксидов железа в системе.

В 2017 году исследовательская группа из Университета Цинхуа сообщила об эпитаксиальном росте выровненного непрерывного углеродного нановолокна без катализатора из шаблона углеродных нанотрубок . Процесс изготовления включает утолщение сплошных пленок углеродных нанотрубок путем газофазного пиролитического осаждения углерода и дальнейшую графитизацию углеродного слоя путем высокотемпературной обработки. Благодаря механизму эпитаксиального роста волокно обладает превосходными свойствами, включая низкую плотность, высокую механическую прочность, высокую электропроводность и высокую теплопроводность.

Безопасность

Закон о безопасности и гигиене труда (США) (1970 г.) стал движущей силой многих изменений, внесенных в отношении безопасности на рабочем месте за последние несколько десятилетий. Одна небольшая группа из множества веществ, регулируемых этим актом, - это углеродные нановолокна (УНВ). Хотя все еще активно ведутся исследования, были проведены исследования, которые указывают на риски для здоровья, связанные с углеродными нанотрубками (УНТ) и УНВ, которые представляют большую опасность, чем их массивные аналоги. Одной из основных опасностей, вызывающих беспокойство, связанных с CNT и CNF, является поражение органов дыхания, такое как воспаление легких, гранулема и фиброз. Однако важно отметить, что эти результаты наблюдались на мышах, и что в настоящее время неизвестно, будут ли такие же эффекты наблюдаться у людей. Тем не менее, эти исследования послужили поводом для попытки минимизировать воздействие этих наночастиц .

Отдельное исследование, проведенное перед ежегодной встречей Общества токсикологов в 2013 году, было направлено на выявление потенциальных канцерогенных эффектов, связанных с многослойными углеродными нанотрубками (MWCNT). Полученные данные показали, что в присутствии химического вещества-инициатора MWCNT вызывают гораздо большее количество опухолей у мышей. Однако не было никаких указаний на увеличение присутствия опухолей в отсутствие химического инициатора. Для этого сценария необходимы дальнейшие исследования.

Одним из основных препятствий при выявлении опасностей, связанных с CNF, является разнообразие существующих волокон. Некоторые из факторов, способствующих этому разнообразию, включают форму, размер и химический состав. В одном стандарте воздействия (2015 г.) указывается, что допустимый предел воздействия на УНТ и УНВ составляет 1 мкг / м 3 элементарного углерода фракции вдыхаемого размера (8-часовое средневзвешенное значение по времени). Этот стандарт был основан на информации, собранной из 14 сайтов, образцы которых были проанализированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ).

В недавнем паспорте безопасности (SDS) CNF (пересмотренном в 2016 году) нановолокна указаны как раздражители глаз и указано, что они обладают токсичностью для органов дыхательной системы при однократном воздействии. УНВ меньшего размера обладают большим потенциалом образования пылевых облаков при обращении с ними. Таким образом, при обращении с CNF необходимо соблюдать большую осторожность. Рекомендуемые средства индивидуальной защиты (СИЗ) для работы с CNF включают нитриловые перчатки, респираторы для твердых частиц и непроницаемую для наноматериалов одежду (в зависимости от условий рабочего места). Помимо контроля воздействия при работе с CNF, безопасные условия хранения также важны для минимизации риска, связанного с CNF. Безопасное хранение CNF предполагает хранение волокон вдали от окислителей и открытого огня. В условиях пожара CNF образуют опасные продукты разложения, хотя точная природа этих продуктов разложения в настоящее время неизвестна. Помимо канцерогенности и токсичности для органов, токсикологические данные по CNF в настоящее время весьма ограничены.

Приложения

  • Исследователи используют нановолокна для доставки терапевтических лекарств. Они разработали эластичный материал, в который встроены иглы, похожие на углеродные нановолокна. Материал предназначен для использования в качестве баллонов, которые вводятся рядом с пораженной тканью, а затем надуваются. Когда баллон надувается углеродом, нановолокна проникают в больные клетки и доставляют лечебные препараты. Исследователи из Массачусетского технологического института использовали углеродные нановолокна для изготовления электродов литий-ионных аккумуляторов, которые обладают в четыре раза большей емкостью, чем существующие литий-ионные аккумуляторы . Исследователи используют нановолокна для создания сенсоров, которые меняют цвет по мере поглощения химических паров. Они планируют использовать эти датчики, чтобы показать, когда поглощающий материал в противогазе становится насыщенным.
  • Уникальная структура этих пористых углеродных нановолокон привела к хорошим электрохимическим характеристикам, таким как высокая обратимая емкость и хорошая циклическая стабильность, когда они использовались в качестве анодов для перезаряжаемых литий-ионных батарей .
  • Дальнейшее развитие рынка будет зависеть от наличия материалов по разумным ценам. Мы достигли мощностей по массовому производству углеродных нановолокон высокой чистоты (УНВ) по низкой цене с помощью процесса каталитического химического осаждения из паровой фазы (CCVD).
  • В отличие от каталитического синтеза, электроспиннинг полиакрилонитрила (ПАН) с последующей стабилизацией и карбонизацией стал прямым и удобным способом получения непрерывных углеродных нановолокон.
  • Источники автоэлектронной эмиссии
    • Автоэлектронная эмиссия (также известная как автоэлектронная эмиссия (FE) и автоэлектронная эмиссия) - это эмиссия электронов, индуцированная электростатическим полем. Самый распространенный контекст - автоэмиссия с твердой поверхности в вакуум. Однако автоэлектронная эмиссия может происходить с твердых или жидких поверхностей в вакуум, воздух, жидкость или любой непроводящий или слабопроводящий диэлектрик. Вызванное полем продвижение электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводников (эффект Зинера) также можно рассматривать как форму автоэлектронной эмиссии.
  • Композитные материалы
  • Советы по сканирующей зондовой микроскопии
  • Материал-носитель для различных катализаторов в нефтехимии.
  • В вертикально выровненных массивах - платформа для доставки генов . (См. Impalefection )
    • Импалефекция - это метод доставки генов с использованием наноматериалов, таких как углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки, нанопроволоки. Игольчатые наноструктуры синтезируются перпендикулярно поверхности подложки. Плазмидная ДНК, содержащая ген, предназначенная для внутриклеточной доставки, прикрепляется к поверхности наноструктуры. Затем чип с множеством этих игл прижимается к клеткам или ткани. Клетки, пронизанные наноструктурами, могут экспрессировать доставленный ген (ы).
  • Для электродных материалов
  • Ликвидация разливов нефти
    • Ликвидация разливов нефти: процесс производства углерод-углеродного композитного материала включает стадии обработки углеродсодержащего материала-носителя металлсодержащим каталитическим материалом. Металл способен образовывать наноразмерные углеродные структуры и выращивать наноразмерные углеродные структуры посредством метода химического осаждения из паровой фазы на обработанный носитель в газовой атмосфере, содержащей углеродсодержащий газ, с последующей необязательной стадией модификации поверхности. Этот процесс позволяет оптимизировать пористость, гидродинамические свойства и химию поверхности независимо друг от друга, что особенно выгодно при использовании композита для очистки воды. Композиты на основе технического углерода особенно полезны для наполнителей.

История

Одной из первых технических записей, касающихся углеродных нановолокон, является, вероятно, патент Хьюза и Чемберса на синтез нитевидного углерода 1889 года. Они использовали газовую смесь метана и водорода и выращивали углеродные волокна путем пиролиза газа и последующего осаждения углерода и роста волокон. Однако истинное признание этих волокон пришло гораздо позже, когда их структуру можно было проанализировать с помощью электронной микроскопии . Первые наблюдения углеродных нановолокон с помощью электронной микроскопии были выполнены в начале 1950-х годов советскими учеными Радушкевичем и Лукьяновичем, опубликовавшими в «Советском журнале физической химии» статью, в которой были показаны полые графитовые углеродные волокна диаметром 50 нанометров. В начале 1970-х годов японские исследователи Моринобу Эндо , ныне директор Института углеродных наук и технологий Университета Шиншу , сообщили об открытии углеродных нановолокон, в том числе некоторые из них имели форму полых трубок. Он также преуспел в производстве VGCF диаметром 1 мкм и длиной более 1 мм. Позже, в начале 1980-х годов, Tibbetts в США и Benissad во Франции продолжали совершенствовать процесс изготовления VGCF. В США более глубокие исследования, посвященные синтезу и свойствам этих материалов для передовых приложений, возглавлял Р. Терри К. Бейкер. Они были мотивированы необходимостью подавить рост углеродных нановолокон из-за постоянных проблем, вызванных накоплением материала в различных промышленных процессах, особенно в конкретной области переработки нефти. В 1991 году японские исследователи Сумио Иидзима , работая в NEC , синтезировали полые молекулы углерода и определили их кристаллическую структуру. В следующем году эти молекулы впервые были названы « углеродными нанотрубками ». VGCNF производится по существу с помощью того же производственного процесса, что и VGCF, только диаметр обычно меньше 200 нм. Несколько компаний по всему миру активно участвуют в производстве углеродных нановолокон в промышленных масштабах, и для этих материалов интенсивно разрабатываются новые инженерные приложения, последним из которых является пористый композит, содержащий углеродные нановолокна, для ликвидации разливов нефти.

Смотрите также

Рекомендации