A szén nanoszálak (ezek is szén nanoszálak ) szén hengeres nanoszerkezetek, amelyek kúpok , "csészék" vagy tányérok formájában egymásra halmozott grafénrétegek .
A szén csőszerű mikrostruktúrák, úgynevezett filamentumok vagy szálak formájában létezhet. Az elmúlt évtizedekben a szénszálak egyedi tulajdonságai kibővítették a kompozit anyagok tudományos alapját és technológiáját.
A szén nanoszálak (CNF) olyan anyagok osztálya, amelyekben az ívelt grafénrétegek vagy nanokúpok egy kvázi egydimenziós filamentummá vannak hajtogatva, amelynek belső szerkezete a grafénrétegek és a szál tengelye közötti α szöggel jellemezhető [1] . Az egyik közös különbség a két fő száltípus között van: a halszálkás, sűrűn tömörített kúpos grafénrétegekkel és nagy α-val, valamint a bambusz, hengeres csészeszerű grafénrétegekkel és kis α-val, amelyek inkább többfalú szén nanocsövekhez hasonlítanak . A valódi CNT-k esetében azonban α nulla.
Az UNV potenciális termikus, elektromos, árnyékoló és mechanikai tulajdonságaik miatt a tudósok nagy figyelmét felkeltették [2] . Kivételes tulajdonságaik és alacsony költségük miatt ma már egyre gyakrabban használják különféle anyagokban, például kompozitokban [3] .
A katalitikus kémiai gőzleválasztás (CCVD), vagy egyszerűen kémiai gőzleválasztás (CVD) különféle formákban, például termikus és plazmaleválasztásban, a CNF-ek előállításának fő kereskedelmi technológiája. Ebben az esetben a gázfázis molekulái magas hőmérsékleten lebomlanak, és az átmenetifémekből katalizátorok jelenlétében a szubsztrátumon lerakódik a szén, amelyen a szál tovább nő a katalizátorszemcsék körül. Általában ez a folyamat különálló lépéseket tartalmaz, mint például a gázbontás, a szénleválasztás, a szálnövekedés, a rostsűrítés, a grafitizálás és a tisztítás. A nanoszálak átmérője a katalizátor méretétől függ.
A CNF előállítására szolgáló CVD-eljárást általában két kategóriába sorolják [4] : fix katalizátoros eljárásra (szakaszos) és lebegő katalizátoros eljárásra (folyamatos). A Tibbets által kifejlesztett sorozatgyártásban [5] szénhidrogének hidrogénnel és héliummal alkotott keverékét engedték át mulliton (kristályos alumínium-szilikáton) finom vaskatalizátorral, amelyet 1000 °C-on tartottak. Szénhidrogénként metánt használtunk 15 térfogat%-os koncentrációban. Egy több centiméter hosszú szálat mindössze 10 perc alatt kaptunk 20 másodpercig tartó gáz jelenlétében. Általában a szál hosszát a gáz reaktorban való tartózkodási idejének szabályozásával lehet szabályozni. A gravitáció és a gázáramlás iránya általában befolyásolja a rostok növekedésének irányát [6] . A folyamatos vagy lebegő katalízis eljárást korábban Koyama és Endo [7] szabadalmaztatta , majd Hatano és munkatársai módosították [8] . Ez az eljárás jellemzően szubmikron átmérőjű és néhány és 100 nm közötti hosszúságú CNF-eket eredményez, összhangban a szén nanoszálak definíciójával. Illékony oldószerben, például benzinben oldott szerves fémvegyületeket használtak, amelyek 1100 °C-ra emelve ultrafinom (5-25 nm átmérőjű) katalizátorrészecskék keverékét eredményezik egy szénhidrogéngázban. A kemencében a rostok növekedése megindul a katalizátorrészecskék felületén, és addig tart, amíg a katalizátort meg nem mérgezik a szennyeződések. A szálnövekedés mechanizmusát Baker és munkatársai írják le [9] , a gázkeverékkel érintkező katalizátorrészecskéknek csak egy részén nőnek a szálak és a növekedés leáll, amint a katalizátor nyitott részét szennyeződések borítják, vagyis a katalizátor megmérgeződik. A katalizátorrészecskéket körülbelül néhány ppm végkoncentrációjú szálakkal vonják be. Ebben a szakaszban a szálak megvastagodnak.
A leggyakrabban használt katalizátor a vas, amelyet gyakran kénben, hidrogén-szulfidban stb. dúsítanak, hogy csökkentsék az olvadáspontot, elősegítsék a szén behatolását a katalizátor pórusaiba, és ezáltal több növekedési pontot hozzon létre [10] . Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo és Pd is használható katalizátorként [11] [12] . Az acetilén, etilén, metán, földgáz és benzol a leggyakrabban használt szénforrások a CNF előállításához. Gyakran szén-monoxidot (CO) vezetnek be a gázáramba, hogy növeljék a szénhozamot azáltal, hogy csökkentik a vas-oxidok mennyiségét a rendszerben.
A CNF-szintézis technológiájában jelentős eredményeket értek el a széntartalmú gázok katalitikus lebontásának folyamataiban 8. csoportba tartozó fémeket tartalmazó mono- és bimetál katalizátorokon [13] [14] [15] . A katalizátorok használatával a széntartalmú nyersanyagok bomlási hőmérséklete jelentősen csökkenthető (akár 500-700°C-ig), ami lehetővé teszi a hőellátás energiaköltségének jelentős csökkentését, valamint a lerakódás megszüntetését. amorf szén a reaktorblokkok felületén. A CNF szintézis katalitikus módszerének megfelelő körülmények között történő alkalmazása esetén a végtermék mezopórusos granulátum formájában nyerhető, amely véletlenszerűen egymásba fonódó szén nanoszálakból áll. A CNF granulált formában történő előállítása kétségtelenül érdekes, mivel ez az anyag könnyen eltávolítható a reaktorból, kiönthető, adagolható és csomósodás nélkül tárolható bármilyen tartályban [16] .
A szén nanoszálak előállítására vonatkozó egyik első adat valószínűleg Hughes és Chambers 1889-es szabadalma a fonalas szén szintézisére [21] . Metán és hidrogén keverékével szénszálakat növesztettek a gáz pirolizálásával, majd szénkicsapással. E szálak biztos megszerzéséről sokkal később lehetett beszélni, amikor lehetőség nyílt a szerkezetük elektronmikroszkópos vizsgálatára [10] . A szén nanoszálak első elektronmikroszkópos megfigyelését az 1950-es évek elején Radushkevich és Lukyanovich szovjet tudósok végezték, akik a Soviet Journal of Physical Chemistry című folyóiratban publikáltak egy cikket, amely 50 nanométer átmérőjű üreges grafit szénszálakat mutat be [22] .
Az 1970-es évek elején Koyama és Endo japán kutatóknak [23] sikerült 1 µm átmérőjű és 1 mm-nél hosszabb szénszálakat előállítani gőzfázisú leválasztással (VGCF). Később, az 1980-as évek elején az amerikai Tibbets [24] és a franciaországi Benissad [25] folytatta a szénszálas (VGCF) eljárás fejlesztését. Az Egyesült Államokban R. Terry K. Baker [26] végzett alaposabb kutatást ezen anyagok szintézisével és tulajdonságaival kapcsolatban a gyakorlati alkalmazásokhoz, és ezt a szén nanoszálak növekedésének visszaszorítása indokolta a tartós problémák miatt. amelyet a különféle kereskedelmi folyamatok során felhalmozódó anyagok okoznak, különösen az olajfinomítás területén.
Az első kísérletet a gázfázisból előállított szénszálak kereskedelmi forgalomba hozatalára a japán Nikosso cég tette 1991-ben Grasker® márkanéven [10] , ugyanebben az évben Ijima publikálta híres cikkét a szén nanocsövek (CNT) felfedezéséről. . A szén nanoszálakat lényegében ugyanazzal az eljárással állítják elő, mint a VGCF-et, csak átmérőjük jellemzően 200 nm-nél kisebb. Világszerte több cég is aktívan részt vesz a szén nanoszálak gyártásának kereskedelmi forgalomba hozatalában és ezen anyagok új műszaki alkalmazásainak bevezetésében, amelyek közül a legújabb egy szén nanoszálakat tartalmazó porózus kompozit az olajszennyezés elleni küzdelemhez [27] .
| A szén allotrópiája | |
|---|---|
| sp 3 | |
| sp 2 | |
| sp | Karabély |
| vegyes sp 3 / sp 2 | |
| Egyéb |
|
| hipotetikus |
|
| összefüggő | |