Kol nanofiber

Vanliga kol nanofibrer.
Kolnanofiber med staplad kopp: elektronmikrofotografi (vänster) och modell (höger).

Kolnanofibrer (CNF) , ångodlade kolfibrer (VGCFs) eller ångodlade kolnanofibrer (VGCNF) är cylindriska nanostrukturer med grafenskikt arrangerade som staplade koner , koppar eller tallrikar. Kolnanofibrer med grafenlager inlindade i perfekta cylindrar kallas kolnanorör .

Introduktion

Kol har en hög nivå av kemisk bindningsflexibilitet, vilket lämpar sig för bildandet av ett antal stabila organiska och oorganiska molekyler . Elementärt kol har ett antal allotroper (varianter) inklusive diamant , grafit och fullerener . Även om de alla består av elementärt kol, varierar deras egenskaper kraftigt. Detta understryker mångsidigheten hos CNF, som är kända för deras termiska, elektriska, elektromagnetiska skärmning och mekaniska egenskaper. Eftersom kol är lättillgängligt till låg kostnad, är CNF: er populära tillsatser till kompositmaterial . CNF är mycket små, existerar på nanometerskala . En atom är mellan 0,1-,5 nm, därför krävs specialiserade mikroskopiska tekniker som Scanning Tunneling Microscopy och Atomic Force Microscopy för att undersöka egenskaperna hos CNF. [ citat behövs ]

Syntes

Katalytisk kemisk ångavsättning (CCVD) eller helt enkelt CVD med varianter som termisk och plasmaassisterad är den dominerande kommersiella tekniken för tillverkning av VGCF och VGCNF. Här sönderdelas gasfasmolekyler vid höga temperaturer och kol avsätts i närvaro av en övergångsmetallkatalysator på ett substrat där efterföljande tillväxt av fibern runt katalysatorpartiklarna realiseras . I allmänhet innefattar denna process separata steg såsom gasnedbrytning, kolavsättning, fibertillväxt, fiberförtjockning, grafitisering och rening och resulterar i ihåliga fibrer. Nanofiberdiametern beror på katalysatorstorleken. CVD-processen för tillverkning av VGCF delas i allmänhet in i två kategorier: 1) process med fast katalysator (satsvis) och 2) process med flytande katalysator (kontinuerlig).

I den satsvisa processen som utvecklats av Tibbetts, leddes en blandning av kolväte/väte/helium över en mullit (kristallint aluminiumsilikat) med fina järnkatalysatorpartiklar som hölls vid 1000 °C. Det kolvätet var metan i koncentrationen 15 volymprocent. Fibertillväxt på flera centimeter uppnåddes på bara 10 minuter med en gasuppehållstid på 20 sekunder. I allmänhet kan fiberlängden styras av gasens uppehållstid i reaktorn. Tyngdkraften och gasflödets riktning påverkar typiskt fibertillväxtens riktning.

Den kontinuerliga eller flytande katalysatorprocessen patenterades tidigare av Koyama och Endo och modifierades senare av Hatano och kollegor. Denna process ger vanligtvis VGCF med submikrometerdiametrar och längder på några till 100 µm , vilket överensstämmer med definitionen av kolnanofibrer. De använde organometalliska föreningar lösta i ett flyktigt lösningsmedel som bensen som skulle ge en blandning av ultrafina katalysatorpartiklar (5–25 nm i diameter) i kolvätegas när temperaturen steg till 1100 °C. I ugnen initieras fibertillväxten på ytan av katalysatorpartiklarna och fortsätter tills katalysatorförgiftning inträffar av föroreningar i systemet. I fibertillväxtmekanismen som beskrivits av Baker och medarbetare är det bara den del av katalysatorpartiklarna som exponeras för gasblandningen som bidrar till fibertillväxten och tillväxten upphör så snart den exponerade delen täcks, dvs katalysatorn förgiftas. Katalysatorpartikeln förblir begravd i fiberns tillväxtspets vid en slutlig koncentration av cirka några miljondelar. I detta skede sker fiberförtjockning. [ citat behövs ]

Den vanligaste katalysatorn är järn , ofta behandlad med svavel , vätesulfid , etc. för att sänka smältpunkten och underlätta dess penetrering i kolets porer och därmed producera fler tillväxtställen. Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V , Cr, Mo, Pd, MgO och Al2O3 används också som katalysator . Acetylen , eten , metan , naturgas och bensen är de mest använda kolhaltiga gaserna. Ofta kolmonoxid (CO) i gasflödet för att öka kolutbytet genom reduktion av eventuella järnoxider i systemet. [ citat behövs ]

Under 2017 rapporterade en forskargrupp vid Tsinghua University den epitixiala tillväxten av anpassade, kontinuerliga, katalysatorfria kolnanofibrer från en kolnanorörmall . Tillverkningsprocessen inkluderar förtjockning av kontinuerliga kolnanorörsfilmer genom gasfas pyrolytisk kolavsättning och ytterligare grafitisering av kolskiktet genom högtemperaturbehandling. På grund av den epitaxiella tillväxtmekanismen har fibern överlägsna egenskaper inklusive låg densitet, hög mekanisk hållfasthet, hög elektrisk ledningsförmåga, hög värmeledningsförmåga.

Säkerhet

Occupational Safety and Health Act (USA) (1970) var en drivkraft bakom många av de förändringar som gjorts när det gäller säkerhet på arbetsplatsen under de senaste decennierna. En liten grupp av de många ämnen som ska regleras av denna lag är kolnanofibrer (CNF). Även om det fortfarande är ett aktivt forskningsområde, har det genomförts studier som indikerar hälsorisker förknippade med kolnanorör (CNT) och CNF som utgör större risker än deras bulkmotsvarigheter. En av de primära riskerna förknippade med CNT och CNF är andningsskador såsom lunginflammation, granulom och fibros. Det är dock viktigt att notera att dessa fynd observerades hos möss och att det för närvarande är okänt om samma effekter skulle observeras hos människor. Ändå har dessa studier gett anledning till ett försök att minimera exponeringen för dessa nanopartiklar .

En separat studie som genomfördes före det årliga mötet i Society of Toxicology 2013 syftade till att identifiera potentiella cancerogena effekter associerade med flerväggiga kolnanorör (MWCNT). Fynden visade att MWCNT, i närvaro av en initiatorkemikalie, orsakade en mycket större förekomst av tumörer hos möss. Det fanns dock ingen indikation på ökad närvaro av tumörer i frånvaro av initiatorkemikalien. Ytterligare studier behövs för detta scenario.

Ett av de största hindren för att identifiera faror förknippade med CNF är mångfalden av fibrer som finns. Några av de bidragande faktorerna till denna mångfald inkluderar form, storlek och kemisk sammansättning. En exponeringsstandard (2015) anger att den acceptabla gränsen för CNT- och CNF-exponering är 1 μg/m 3 av elementärt kol med respirabel storlek (8 timmars tidsvägt medelvärde). Denna standard baserades på information som samlats in från 14 platser vars prover analyserades med transmissionselektronmikroskopi ( TEM).

Ett färskt säkerhetsdatablad (SDS) för CNF (reviderat 2016) listar nanofibrerna som irriterande för ögonen och anger att de har enstaka exponering för organtoxicitet i andningsorganen. Mindre CNF har en större potential för att bilda dammmoln vid hantering. Som sådan måste stor försiktighet iakttas vid hantering av CNF. Den rekommenderade personliga skyddsutrustningen (PPE) för hantering av CNF inkluderar nitrilhandskar, partikelandningsskydd och nanomaterialogenomträngliga kläder (beroende på arbetsplatsens förhållanden). Förutom exponeringskontroller när du arbetar med CNF, är säkra lagringsförhållanden också viktiga för att minimera risken förknippad med CNF. Säker CNF-lagring innebär att fibrerna lagras borta från oxidationsmedel och öppen låga. Under brandförhållanden bildar CNF farliga nedbrytningsprodukter även om den exakta naturen hos dessa nedbrytningsprodukter inte är känd för närvarande. Förutom carcinogenicitet och organtoxicitet är toxikologiska data för CNF för närvarande ganska begränsade.

Ansökningar

  • Forskare använder nanofibrer för att leverera terapeutiska läkemedel. De har utvecklat ett elastiskt material som är inbäddat med nålliknande nanofibrer av kol. Materialet är avsett att användas som ballonger som sätts in nästa sjuk vävnad och sedan blåses upp. När ballongen blåses upp kolet tränger nanofibrer in i sjuka celler och levererar terapeutiska läkemedel. Forskare vid MIT har använt kolnanofibrer för att tillverka litiumjonbatterielektroder som visar fyra gånger så stor lagringskapacitet som nuvarande litiumjonbatterier . Forskare använder nanofibrer för att göra sensorer som ändrar färg när de absorberar kemiska ångor. De planerar att använda dessa sensorer för att visa när det absorberande materialet i en gasmask blir mättat.
  • Den unika strukturen hos dessa porösa kolnanofibrer resulterade i god elektrokemisk prestanda som hög reversibel kapacitet och god cykelstabilitet när de användes som anoder för uppladdningsbara litiumjonbatterier .
  • Den fortsatta marknadsutvecklingen kommer att bero på materialtillgång till rimliga priser. Vi har uppnått kapacitet för bulkproduktion av kolnanofibrer med hög renhet (CNF) till låg kostnad genom en process för katalytisk kemisk ångavsättning (CCVD).
  • Till skillnad från katalytisk syntes har elektrospinning av polyakrylnitril (PAN) följt av stabilisering och karbonisering blivit en enkel och bekväm väg att göra kontinuerliga kolnanofibrer.
  • Fältelektronemissionskällor
    • Fältelektronemission (även känd som fältemission (FE och elektronfältsemission) är emission av elektroner som induceras av ett elektrostatiskt fält. Det vanligaste sammanhanget är fältemission från en fast yta till vakuum. Fältemission kan emellertid ske från fasta eller flytande ytor, in i vakuum, luft, en vätska eller något icke-ledande eller svagt ledande dielektrikum. Den fältinducerade befordran av elektroner från valens till ledningsband av halvledare (zenereffekten) kan också betraktas som en form av fältemission.
    )
  • Kompositmaterial
  • Skannasondmikroskopitips
    • Skannasondmikroskopi (SPM) är en gren av mikroskopi som bildar bilder av ytor med hjälp av en fysisk sond som skannar provet
    .
  • Bärarmaterial för olika katalysatorer inom petrokemi
  • I vertikalt inriktade arrayer, en plattform för genleverans . (Se Impalefection )
    • Impalefektion är en metod för genleverans med användning av nanomaterial, såsom kolnanofibrer, kolnanorör, nanotrådar. Nålliknande nanostrukturer syntetiseras vinkelrätt mot ytan av ett substrat. Plasmid-DNA som innehåller genen, avsedd för intracellulär leverans, är fäst vid nanostrukturytan. Ett chip med arrayer av dessa nålar pressas sedan mot celler eller vävnad. Celler som spetsas av nanostrukturer kan uttrycka den/de levererade genen/generna.
  • För elektrodmaterial
  • Oljespillsanering Oljespillsanering
    • : Processen för tillverkning av ett kol-kol-kompositmaterial innefattar stegen att behandla ett kolhaltigt bärarmaterial med ett metallinnehållande katalysatormaterial. Metallen kan bilda kolstrukturer i nanostorlek och växa kolstrukturer i nanostorlek med hjälp av en kemisk ångavsättningsmetod på den behandlade bäraren i en gasatmosfär som innefattar en kolinnehållande gas, följt av ett valfritt ytmodifieringssteg. Denna process möjliggör optimering av porositet, hydrodynamiska egenskaper och ytkemi oberoende av varandra, vilket är särskilt fördelaktigt med avseende på användningen av kompositen för vattenrening. Kimröksbaserade kompositer är särskilt användbara för fyllmedelstillämpningar.

Historia

En av de första tekniska uppgifterna om kolnanofibrer är förmodligen ett patent daterat 1889 på syntes av trådformigt kol av Hughes och Chambers. De använde en gasformig metan/väteblandning och odlade kolfilament genom gaspyrolys och efterföljande kolavlagring och filamenttillväxt. Den verkliga uppskattningen av dessa fibrer kom dock mycket senare när deras struktur kunde analyseras med elektronmikroskopi . De första elektronmikroskopiobservationerna av kolnanofibrer utfördes i början av 1950-talet av de sovjetiska forskarna Radushkevich och Lukyanovich, som publicerade en artikel i Soviet Journal of Physical Chemistry som visar ihåliga grafitiska kolfibrer som är 50 nanometer i diameter. Tidigt på 1970-talet rapporterade de japanska forskarna Morinobu Endo , nu chef för Institutet för kolvetenskap och teknik vid Shinshu University , upptäckten av kolnanofibrer, inklusive att vissa var formade som ihåliga rör. Han lyckades också med tillverkningen av VGCF med en diameter på 1 µm och en längd över 1 mm. Senare, i början av 1980-talet, fortsatte Tibbetts i USA och Benissad i Frankrike att fullända VGCF-tillverkningsprocessen. I USA leddes de djupare studierna med fokus på syntes och egenskaper hos dessa material för avancerade applikationer av R. Terry K. Baker. petroleumbearbetning . behovet av att hämma tillväxten av kolnanofibrer på grund av de ihållande problemen som orsakas av ackumulering av materialet i en mängd olika kommersiella processer, särskilt inom det speciella området för 1991 syntetiserade japanska forskare Sumio Iijima , medan han arbetade på NEC , ihåliga kolmolekyler och bestämde deras kristallstruktur. Året därpå kallades dessa molekyler " kolnanorör " för första gången. VGCNF produceras genom i huvudsak samma tillverkningsprocess som VGCF, endast diametern är vanligtvis mindre än 200 nm. Flera företag runt om i världen är aktivt involverade i den kommersiella produktionen av kolnanofibrer och nya tekniska applikationer utvecklas intensivt för dessa material, den senaste är en kolnanofiberhaltig porös komposit för oljeutsläppssanering.

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbon_nanofiber&oldid=1090957568 "