Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.1.2. Способ лазерного испарения графита
В 1995 г. группа исследователей [25, 26], работавшая в университете им. Райса (США), сообщила о синтезе УНТ лазерным испарением (абляцией). Общая схема использованной установки представлена на рис. 1.3.
Ранее данный способ использовался для выделении фуллеренов.
Суть способа синтеза УНТ состоит в следующем, нагретая в резистивной печи графитовая мишень до температуры 1200 °C непрерывным или импульсным лазером испарялась в среде инертного газа. Окружающий холодный поток инертного газа создает благоприятные условия для быстрого охлаждения углеродного пара с образованием нанотрубок [27–30]. В качестве инертного газа используется гелий или аргон. Испарительная камера находится под абсолютным давлением ~ 65 кПа [31].
Рис. 1.3. Схема аппарата для производства УНТ способом лазерной
абляции: 1 – инертный газ; 2 – печь; 3 – охлаждаемый медный коллектор;
4 – охлаждающая вода; 5 – графитовая мишень
Введение в графитовые мишени небольшого количества катализатора (Ni – Coв отношении 1:1) позволило получить с высоким выходом жгуты ОУНТ [32]. Было установлено, что увеличение мощности импульсного лазерного излучения позволяет в определенном диапазоне управлять диаметром получаемых углеродных нанотрубок [30].
Механизм участия катализатора в синтезе УНТ при лазерном испарении представляется в следующем. Катализаторы, после испарения, также начинали конденсироваться, но более медленно, и, присоединяясь к углеродным молекулам, предотвращают их закрытие. Из начальных скоплений молекул углерода образовывались УНТ, процесс продолжается до тех пор, пока частицы катализатора не становились слишком большими или пока не охлаждались достаточно, чтобы углерод больше не мог диффундировать через объем и/или по поверхности частиц катализатора. Кроме того, возможно, что частицы катализатора покрывались слоем аморфного углерода и не могли больше абсорбировать его, и рост УНТ так же останавливался [32].
В состав сажи, получаемой лазерно-термическим методом, входят 30…35 % УНТ, около 20 % аморфного углерода: 12…15 % фуллеренов, 12…15 % углеводородов, 5…10 % графитизированных наночастиц, до 10 % металлов (Coи Ni), 1…2 % кремния.
На эффективность данного метода значительно влияет состав катализатора. Чаще всего это биметаллы (Ni–Co, Ni–Fe, Co–Fe, Pd–Pt) [25, 26, 33, 34].
Получены положительные результаты экспериментов синтеза ОУНТ при пониженных температурах (~ 400...500 °C) с применением Niи Ni-Coкатализаторов и предложен способ промышленной реализации [35].
Группой исследователей проводилась работа по легированию графитовых мишеней катализатором никель : оксид иттрия при атомном соотношении никель:иттрий, равном 4–10:1, и при содержании катализатора в композитной мишени 1–10 % атомных с целью увеличения выхода одностенных УНТ. Лазерное испарение композитной мишени осуществляют непрерывным лазером при плотности облучения не менее 1·104 Вт/см2. Способ изготовления композитных графитовых мишеней заключается в перемешивание при комнатной температуре порошков графита и катализатора с последующим изготовлением из полученной смеси цилиндрического стержня путем помещения смеси порошков графита и катализатора в канал в цилиндрическом графитовом стержне-оболочке и уплотнения смеси. Установка для получения одностенных УНТ, включающая реакционную трубу с входным отверстием для подачи инертного газа, в которую помещена композитная графитовая мишень, лазер, предназначенный для облучения композитной графитовой мишени, и коллектор для сбора одностенных углеродных нанотрубок [36].
Проведена работа по исследованию влияния на процесс синтеза УНТ таких факторов лазерного излучения: тип, длина волны, частота следования импульсов, мощность [37]. Покакано сильное влияние электрических полей на процессы синтеза УНТ методами лазерной абляции [38, 39].
Расчеты показали, что при мощности лазерного излучателя 10 кВт возможно достижение производительности способа до 45 г/ч [1].
Как показала практика, и теоретические расчеты, способ синтеза УНТ методом лазерного испарения обладает меньшим числом факторов валяющих на ход процесса по сравнению с электродуговым.
Выводы. Данный метод в основном используется для получения ОУНТ в сверх малых количествах, например, для нужд наноэлектроники [40]. Использование дорогостоящих лазерных излучателей значительно увеличивает себестоимость получаемых УНТ и создает дополнительные ограничения на максимальную производительность единичной установки.