Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/3543
Title: Μελέτη νανοσωλήνων άνθρακα ως καταλυτικών υποστρωμάτων : βελτιστοποίηση της παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα με τη μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών
Authors: Αλεξιάδης, Βάιος
Issue Date: 2010-08-26T06:34:45Z
Keywords: Νανοτεχνολογία
Νανοσωλήνες άνθρακα
Χημική εναπόθεση ατμών
Νανοσωματίδια
Κατάλυση
Keywords (translated): Nanotechnology
Carbon nanotubes
Chemical vapor deposition
Nanoparticles
Catalysis
Abstract: Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) εξακολουθούν να προσελκύουν το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων λόγω των ασυνήθιστων μηχανικών, δομικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων, που τους καθιστούν σοβαρούς υποψήφιους για μια πληθώρα εφαρμογών. Συνεπώς, έχουν αναφερθεί διάφορες τεχνικές, που αποσκοπούν στη μαζική παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα. Ο βασικός στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να εξερευνηθεί η επίδραση καταλυτικών και λειτουργικών παραμέτρων στο ρυθμό της ανάπτυξης και την ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα μέσω της διεργασίας της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) αιθυλενίου. Τα πειράματα εναπόθεσης διεξήχθησαν σε θερμοβαρυμετρικό αντιδραστήρα, που επιτρέπει τη συνεχή καταγραφή της μεταβολής του βάρους του δείγματος με τον χρόνο. Τα προϊόντα της αντίδρασης αποτελούνταν κυρίως από πολυφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs) και χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και Raman φασματοσκοπία. Υιοθετήθηκαν επίσης η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) και η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (ΤGA). Μια σειρά από μονομεταλλικούς καταλύτες Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένοι με διαφορετικές μεθόδους, εξετάστηκαν υπό συνθήκες ανάπτυξης CNTs. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση (CEB) των πρόδρομων ενώσεων βρέθηκε ότι είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για την παρασκευή του μονομεταλλικού καταλύτη σε σχέση με το ρυθμό ανάπτυξης και την απόδοση σε CNTs. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στην παρουσία σωματιδίων αιματίτη μικρής διαμέτρου στον καταλύτη. Η παρουσία του υδρογόνου στην αέρια τροφοδοσία της αντίδρασης επίσης αποδείχθηκε ότι προάγει το ρυθμό παραγωγής των MWCNTs. Η απόδοση και η ποιότητα των ΜWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση της πηγής του άνθρακα (αιθυλένιο) στο ρεύμα της τροφοδοσίας καθώς και από τη θερμοκρασία της αντίδρασης. Υπό τις παρούσες πειραματικές συνθήκες, η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης βρέθηκε ότι είναι οι 650 0C. Αποδείχθηκε επίσης ότι η CVD του αιθυλενίου παράγει περισσότερους νανοσωλήνες άνθρακα από τη CVD του ακετυλενίου, σε όμοιες πειραματικές συνθήκες. Πολυφλοιικοί νανοσωλήνες άνθρακα αναπτύχθηκαν επίσης σε μια σειρά από καταλύτες Χ% κβ Fe2O3/Al2O3 με CVD αιθυλενίου στους 650 0C. Οι παραπάνω καταλύτες με συγκέντρωση οξειδίου σιδήρου που κυμαινόταν από 0 ως 100 %, παρασκευάστηκαν με ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων νιτρικών ενώσεων τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η απόδοση και η ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκέντρωση του Fe2O3. H βέλτιστη φόρτιση του οξειδίου του σιδήρου βρέθηκε ότι είναι η 75% κβ, η οποία οδήγησε σε δομή καταλύτη που απέφερε την μεγαλύτερη απόδοση (~2000 %), δηλαδή το βάρος των εναποτιθέμενων MWCNTs ήταν 20 φορές μεγαλύτερο από το βάρος του αρχικού καταλύτη. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στη δημιουργία μεγάλου αριθμού ενεργών κέντρων και στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3. Μια σειρά από διμεταλλικούς καταλύτες Μ-Fe2O3/Al2O3 (Μ: Ru, Ni, Co, Mo) παρασκευάστηκαν με διαφορετικούς μεθόδους και εξετάστηκαν υπό συνθήκες CVD αιθυλενίου. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων ενώσεων τους βρέθηκε ότι είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρασκευή του Ni-Fe2O3/Al2O3 και του Co-Fe2O3/Al2O3, ενώ η μέθοδος της συγκαθίζησης για την παρασκευή του Ru-Fe2O3/Al2O3 και του Μο-Fe2O3/Al2O3. Κατά τη μελέτη του διμεταλλικού καταλύτη Ru-Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένου με τη μέθοδο της συγκαθίζησης, βρέθηκε ότι η υψηλή του απόδοση σε MWCNTs οφείλεται στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3, που επιφέρει η παρουσία του ρουθινίου και στην χαμηλή συγκέντρωση της φάσης του RuO2. H ποσότητα και η ποιότητα των παραγόμενων MWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση του αιθυλενίου στη τροφοδοσία και από τη θερμοκρασία της CVD διεργασίας. Η βέλτιστη συγκέντρωση βρέθηκε ότι είναι η 20% και η βέλτιστη θερμοκρασία οι 650 0C. Ακόμα, μεταξύ διάφορων υποστρωμάτων που εξετάστηκαν, βρέθηκε ότι το πιο αποδοτικό είναι η αλούμινα, η οποία προέρχεται από το ένυδρο νιτρικό αλουμίνιο. Επίσης, εξερευνήθηκε η επίδραση του λόγου Fe/Ni της δομής του διμεταλλικού καταλύτη Ni-Fe2O3/Al2O3 , παρασκευασμένου με τη CEB μέθοδο, στο ρυθμό της ανάπτυξης των MWCNTs μέσω της CVD του αιθυλενίου. Βρέθηκε ότι για φόρτιση σε μέταλλο ίση με 52.5 %, ο βέλτιστος λόγος ήταν Fe/Ni = 6, ο οποίος οδήγησε στην εντυπωσιακή απόδοση του 3600 % σε ΜWCNTs. Αυτό αποδόθηκε στο σχηματισμό χημικής ένωσης μεταξύ των στοιχείων Ni, Fe, Al και O και στο σχηματισμό πολλών νανοκρυσταλλιτών Fe2O3, όπως τεκμηριώθηκε από την ανάλυση TEM. Επίσης, αποδείχθηκε ότι η CVD του αιθυλενίου σε αυτόν τον καταλύτη είναι πιο αποδοτική από τη CVD του ακετυλενίου. Ένας φασματογράφος μάζας χρησιμοποιήθηκε για να καθοριστούν οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τη CVD του αιθυλενίου στον συγκεκριμένο διμεταλλικό καταλύτη. Βρέθηκε ότι οι ρυθμοί της διάσπασης του αιθυλενίου και της παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ υψηλοί στο αρχικό στάδιο της εναπόθεσης, ενώ υδρατμοί παράγονται από την αντίδραση του υδρογόνου με τα μεταλλικά οξείδια.
Abstract (translated): Since their discovery in 1991, Carbon Nano-Tubes (CNTs) continue to draw significant attention due to their various potential applications, deriving from their extraordinary structural, electronic and mechanical properties. Thus, several methods of production of CNTs have been reported. 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 CNTs via the process of Chemical Vapor Deposition (CVD) of ethylene. Deposition experiments were carried out in a thermogravimetric hot-wall reactor , which enables continuous monitoring of the evolution of carbon mass with time. The products of the deposition comprised mainly Multi-Wall Carbon Nano-Tubes (MWCNTs) and they were characterized using Scanning Electron Microscopy and Raman spectroscopy. Transmission Electron Microscopy and Thermo-Gravimetric Analysis were also employed. A series of Fe2O3/Al2O3 catalysts prepared by different methods were investigated under conditions of synthesis of CNTs. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalyst with respect to rate of deposition and yield of CNTs. This result has been attributed to the presence of hematite particles of small diameter on the catalyst. The presence of hydrogen in the gas feed mixture, even at small concentration, proved to be beneficial for the rate of production of MWCNTs. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of the carbon source (ethylene) in the feed mixture and on temperature of deposition. Under the present experimental conditions, the optimal reaction temperature was proved to be 650 0C. It was also found that ethylene CVD process is more productive than acetylene CVD process, under identical experimental conditions. MWCNTs were also grown on a series of X % wt Fe2O3/Al2O3 catalysts by thermal cracking of ethylene at 650 0C. The above catalysts with composition ranging from 0 to 100 % wt Fe2O3 were prepared by controlled explosive burning (CEB) of their nitrate precursors. Results show that the final yield and quality of the MWCNTs are highly dependent on the iron oxide concentration of the catalyst. The optimal iron oxide loading was found to be 75%wt, which led to a yield of ~2000 % relative to the initial weight of the catalyst. This result was attributed to the formation of large number of active sites for CNTs growth as well as to the high dispersion of the Fe2O3 phase. A series of bimetallic catalysts M-Fe2O3/Al2O3 (M: Ru, Ni, Co, Mo), were also prepared by different methods and investigated under conditions of CVD reaction of ethylene. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalysts Ni-Fe2O3/Al2O3 and Co-Fe2O3/Al2O3 with respect to rate of deposition and yield of CNTs. Co-precipitation of nitrate precursors (CP-W(H)) was the most effective method of preparation of the catalysts Ru-Fe2O3/Al2O3 and Mo-Fe2O3/Al2O3. During the study of the Ru-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CP-W(H) method, its high catalytic activity ( ~2600% MWCNTs yield) was attributed to the high dispersion of Fe2O3 particles, due to the presence of ruthenium, and the low concentration of RuO2 phase. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of ethylene in the feed mixture and on temperature of CVD reaction. Under the present experimental conditions, the optimal concentration of ethylene and reaction temperature was found to be 20% and 650 0C, respectively. Furthermore, the most effective substrate, among others tested, was proved to be the aloumina deriving from aluminum nitrate. The influence of the ratio Fe/Ni in the structure of Ni-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CEB method, on rate of growth of MWCNTs was investigated. It was found that the optimal value was Fe/Ni = 6 for 52.5 % metal loading, which led to the impressive yield of ~3600% . This was attributed to the generation of a chemical compound comprising Fe, Ni, Al and O, which in turn induced the formation of Fe2O3 nanocrystallites, as established by TEM analysis. Furthermore, it was evidenced that CVD of ethylene is more efficient process than CVD of acetylene. A mass spectrometer was also employed as a way to determine the chemical reactions that take place during carbon deposition in this bimetallic catalyst. It was found that ethylene decomposition and hydrogen production rates are high at the first stages of deposition, while H2O(g) is produced due to the reaction of hydrogen with the metal oxides.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Alexiadis(chem_eng).pdf19.64 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons