СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ПОРИСТЫХ И НАНОТУБУЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
|
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОЗИТАХ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОТРУБОК И ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ (литературный обзор) 11
1.1 Методы синтеза композитов на основе УНТ и оксидов металлов 11
1.1.1 Методы синтеза УНТ в порах мембран АОА 11
1.1.2 Методы синтеза композитов УНТ@ТЮ2-НТ 13
1.2 Получение, свойства и применение УНТ 15
1.2.1 Общие сведения об УНТ 15
1.2.2 Испарительные методы получения УНТ 21
1.2.3 Химическое осаждение из газовой фазы 25
1.3 Метод анодирования для получения наноструктурированных слоев
оксидов металлов 30
1.3.1 Анодное окисление алюминия 30
1.3.2 Анодное окисление титана 32
1.4 Применение композитов 34
1.5 Выводы 38
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И УСТАНОВКИ 40
2.1 Описание установки CV Domna 40
2.2 Устройство установки CV Digma 43
2.3 Получение мембран нанопористого АОА 45
2.4 Электрохимическое формирование нанотубулярных структур TiO2 46
2.5 Описание электронного микроскопа Carl Zeiss Sigma VP 47
2.6 Описание электронного микроскопа Carl Zeiss Auriga CrossBeam 49
2.7 Описание рамановского микроскоп - спектрометра U1000 50
2.8 Описание электрохимического комплекса потенциостата / гальваностата
АнЫ1аЬ 302Ы 51
2.9 Выводы 53
3 СИНТЕЗ КОМПОЗИТОВ УНТ@АОА И УНТ@Т1О2-НТ 55
3.1 Синтез УНТ в порах мембран АОА 55
3.1.1 Синтез УНТ с напыленным никелевым катализатором 55
3.1.2 Синтез УНТ в порах мембран АОА с использованием метода
электрохимического осаждения катализатора 59
3.1.3 Синтез композитов УНТ@АОА с использованием катализатора,
приготовленного золь-гель методом 60
3.2 Синтез композитов УНТ@Т1О2-НТ 63
3.2.1 Синтез композитов УНТ@Т1О2-НТ с использованием катализатора,
приготовленного золь-гель методом 63
3.2.2 Синтез композитов УНТ@Т1О2-НТ с напыленным никелевым
катализатором 64
3.3 Выводы 65
4 АТТЕСТАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ 67
4.1 Исследование полученных материалов методом СЭМ 67
4.1.1 Аттестация композитов УНТ@АОА 67
4.1.2 Аттестация композитов УНТ@Т1О2-НТ 73
4.2 Исследование электродов на основе Т1О2-НТ и УНТ@Т1О2-НТ методом
импедансной спектроскопии 82
4.3 Исследование УНТ методом рамановской спектрометрии 87
4.4 Выводы 91
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ 93
5.1 Безопасность жизнедеятельности 93
5.1.1 Характеристика рабочего места 93
5.1.2 Электробезопасность 93
5.1.3 Условия труда 94
5.1.4 Пожарная безопасность 95
5.2 Природопользование и охрана окружающей среды 95
5.2.1 Электромагнитное воздействие ПЭВМ 96
5.2.2 Акустическое воздействие 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 101
НАНОТРУБОК И ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ (литературный обзор) 11
1.1 Методы синтеза композитов на основе УНТ и оксидов металлов 11
1.1.1 Методы синтеза УНТ в порах мембран АОА 11
1.1.2 Методы синтеза композитов УНТ@ТЮ2-НТ 13
1.2 Получение, свойства и применение УНТ 15
1.2.1 Общие сведения об УНТ 15
1.2.2 Испарительные методы получения УНТ 21
1.2.3 Химическое осаждение из газовой фазы 25
1.3 Метод анодирования для получения наноструктурированных слоев
оксидов металлов 30
1.3.1 Анодное окисление алюминия 30
1.3.2 Анодное окисление титана 32
1.4 Применение композитов 34
1.5 Выводы 38
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И УСТАНОВКИ 40
2.1 Описание установки CV Domna 40
2.2 Устройство установки CV Digma 43
2.3 Получение мембран нанопористого АОА 45
2.4 Электрохимическое формирование нанотубулярных структур TiO2 46
2.5 Описание электронного микроскопа Carl Zeiss Sigma VP 47
2.6 Описание электронного микроскопа Carl Zeiss Auriga CrossBeam 49
2.7 Описание рамановского микроскоп - спектрометра U1000 50
2.8 Описание электрохимического комплекса потенциостата / гальваностата
АнЫ1аЬ 302Ы 51
2.9 Выводы 53
3 СИНТЕЗ КОМПОЗИТОВ УНТ@АОА И УНТ@Т1О2-НТ 55
3.1 Синтез УНТ в порах мембран АОА 55
3.1.1 Синтез УНТ с напыленным никелевым катализатором 55
3.1.2 Синтез УНТ в порах мембран АОА с использованием метода
электрохимического осаждения катализатора 59
3.1.3 Синтез композитов УНТ@АОА с использованием катализатора,
приготовленного золь-гель методом 60
3.2 Синтез композитов УНТ@Т1О2-НТ 63
3.2.1 Синтез композитов УНТ@Т1О2-НТ с использованием катализатора,
приготовленного золь-гель методом 63
3.2.2 Синтез композитов УНТ@Т1О2-НТ с напыленным никелевым
катализатором 64
3.3 Выводы 65
4 АТТЕСТАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ 67
4.1 Исследование полученных материалов методом СЭМ 67
4.1.1 Аттестация композитов УНТ@АОА 67
4.1.2 Аттестация композитов УНТ@Т1О2-НТ 73
4.2 Исследование электродов на основе Т1О2-НТ и УНТ@Т1О2-НТ методом
импедансной спектроскопии 82
4.3 Исследование УНТ методом рамановской спектрометрии 87
4.4 Выводы 91
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ 93
5.1 Безопасность жизнедеятельности 93
5.1.1 Характеристика рабочего места 93
5.1.2 Электробезопасность 93
5.1.3 Условия труда 94
5.1.4 Пожарная безопасность 95
5.2 Природопользование и охрана окружающей среды 95
5.2.1 Электромагнитное воздействие ПЭВМ 96
5.2.2 Акустическое воздействие 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 101
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка 109 с., 70 рис., 6 табл., 94 источника.
УНТ, АОА, НАНОТУБУЛЯРНЫЙ ДИОКСИД ТИТАНА, ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ, КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ УНТ, ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ, РАМАНОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ, ИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.
Целью работы являлся синтез и аттестация композитов на основе углеродных нанотрубок и оксидов металлов. В ходе работы выполнен синтез многостенных УНТ внутри пор анодированного оксида алюминия, а также в нанотубулярных структурах диоксида титана. Катализатор для проведения синтеза подготавливался тремя разными способами: методом
электрохимического осаждения, золь-гель способом, напылением. Золь-гель метод приготовления катализатора позволил получить композит УНТ@АОА. Используя метод магнетронного напыления удалось синтезировать композиты УНТ@Т1О2-НТ.
Выполнены исследования синтезированного углеродного материала методом Рамановской спектрометрии. Аттестация полученных композитов проведена методом электронной микроскопии. С помощью программно-аппаратного комплекса анализа изображений SIAMS был проведен анализ полученных СЭМ-изображений. Проведены исследования композита УНТ@Т1О2-НТ методом импедансной спектроскопии.
В итоге разработана методология получения композитов УНТ@АОА и УНТ@Т1О2-НТ. Отмечены достоинства данных методов относительно известных в научном сообществе. Разработанная методика синтеза используется в лабораторных работах магистров направления «Электроника и наноэлектроника».
Совершенствование существующих и разработка новых технологий невозможно представить без создания новых функциональных и конструкционных материалов. Одними из таких являются углеродные нанотрубки (УНТ) и композиты на их основе. Потенциальные области применения указанных материалов многообразны и постоянно расширяются. Выполненный литературный поиск показал, что в настоящее время наиболее перспективными являются композиты на основе анодированного оксида алюминия (АОА) и нанотубулярного диоксида титана (Т1О2-НТ).
Нанопористые структуры анодированного оксида алюминия применяются в качестве функциональных матриц, которые лежат в основе различных наноустройств. Осаждая в поры АОА органические и неорганические материалы, формируют фильтры, детекторы, массивы квантовых точек и нанонитей, элементы наноэлектроники и т.п. В частности, перспективным представляется получение эффективных эмиттеров на базе УНТ, которые обладают низкой работой выхода электронов и могут быть использованы при производстве холодных катодов. Описаны многочисленные попытки применения композитов на основе углеродных нанотрубок и анодированного оксида алюминия (УНТ@АОА) в качестве материала полевых эмиттеров и электродов суперконденсаторов.
Диоксид титана является одним из наиболее изучаемых материалов благодаря его свойствам, главным образом, таким как высокая фотокаталитическая активность, наряду с нетоксичностью, химической устойчивостью и низкой стоимостью. Материалы на основе T1O2 уже нашли множество различных применений, например, расщепление воды, дезодорация и очистка воды и воздуха, создание самоочищающихся покрытий, бактериальное разложение, элементы солнечных батарей.
Несмотря на то, что диоксид титана обладает таким широким набором положительных качеств, фотокаталитическая эффективность T1O2 недостаточно высока для вытеснения существующих альтернативных технологий в данном направлении. В последнее время были предприняты большие усилия для решения этой проблемы, основное решение - легирование материалами, такими как 8102, С, Ы, 8, Сг, V, ТС и др.
При добавлении в структуру диоксида титана углеродных нанотрубок, которые повышают фотокаталитическую активность в видимом диапазоне из-за их уникальных электрических свойств, композиты на основе УНТ и диоксида титана (УНТ@ТЮ2) становятся материалами для потенциальных применений в устройствах очищения загрязненной воды и воздуха, фотокатализа, фотоэлектрокатализа, радаров выделения водорода, фотовосстановления СО2, солнечных батарей и др. Такие материалы УНТ@Т102 были изготовлены с использованием различных методов, таких как синтез золь геля Т1О2 в присутствии углеродных нанотрубок, механическим перемешиванием, химическим осаждением из газовой фазы и электроформованием.
В настоящее время в научно-образовательном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета ведется активная работа по получению и исследованию свойств таких наноматериалов. В частности, разработаны методы получения наноструктурированных материалов на основе оксидов переходных металлов, а также вышеупомянутых УНТ.
Все вышесказанное создало предпосылки для проведения на базе НОЦ НАНОТЕХ разработок по получению композиционных материалов на основе нанострутурированных слоев ЛЕОз и Т1О2 с многостенными углеродными нанотрубками.
Пояснительная записка 109 с., 70 рис., 6 табл., 94 источника.
УНТ, АОА, НАНОТУБУЛЯРНЫЙ ДИОКСИД ТИТАНА, ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ, КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ УНТ, ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ, РАМАНОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ, ИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.
Целью работы являлся синтез и аттестация композитов на основе углеродных нанотрубок и оксидов металлов. В ходе работы выполнен синтез многостенных УНТ внутри пор анодированного оксида алюминия, а также в нанотубулярных структурах диоксида титана. Катализатор для проведения синтеза подготавливался тремя разными способами: методом
электрохимического осаждения, золь-гель способом, напылением. Золь-гель метод приготовления катализатора позволил получить композит УНТ@АОА. Используя метод магнетронного напыления удалось синтезировать композиты УНТ@Т1О2-НТ.
Выполнены исследования синтезированного углеродного материала методом Рамановской спектрометрии. Аттестация полученных композитов проведена методом электронной микроскопии. С помощью программно-аппаратного комплекса анализа изображений SIAMS был проведен анализ полученных СЭМ-изображений. Проведены исследования композита УНТ@Т1О2-НТ методом импедансной спектроскопии.
В итоге разработана методология получения композитов УНТ@АОА и УНТ@Т1О2-НТ. Отмечены достоинства данных методов относительно известных в научном сообществе. Разработанная методика синтеза используется в лабораторных работах магистров направления «Электроника и наноэлектроника».
Совершенствование существующих и разработка новых технологий невозможно представить без создания новых функциональных и конструкционных материалов. Одними из таких являются углеродные нанотрубки (УНТ) и композиты на их основе. Потенциальные области применения указанных материалов многообразны и постоянно расширяются. Выполненный литературный поиск показал, что в настоящее время наиболее перспективными являются композиты на основе анодированного оксида алюминия (АОА) и нанотубулярного диоксида титана (Т1О2-НТ).
Нанопористые структуры анодированного оксида алюминия применяются в качестве функциональных матриц, которые лежат в основе различных наноустройств. Осаждая в поры АОА органические и неорганические материалы, формируют фильтры, детекторы, массивы квантовых точек и нанонитей, элементы наноэлектроники и т.п. В частности, перспективным представляется получение эффективных эмиттеров на базе УНТ, которые обладают низкой работой выхода электронов и могут быть использованы при производстве холодных катодов. Описаны многочисленные попытки применения композитов на основе углеродных нанотрубок и анодированного оксида алюминия (УНТ@АОА) в качестве материала полевых эмиттеров и электродов суперконденсаторов.
Диоксид титана является одним из наиболее изучаемых материалов благодаря его свойствам, главным образом, таким как высокая фотокаталитическая активность, наряду с нетоксичностью, химической устойчивостью и низкой стоимостью. Материалы на основе T1O2 уже нашли множество различных применений, например, расщепление воды, дезодорация и очистка воды и воздуха, создание самоочищающихся покрытий, бактериальное разложение, элементы солнечных батарей.
Несмотря на то, что диоксид титана обладает таким широким набором положительных качеств, фотокаталитическая эффективность T1O2 недостаточно высока для вытеснения существующих альтернативных технологий в данном направлении. В последнее время были предприняты большие усилия для решения этой проблемы, основное решение - легирование материалами, такими как 8102, С, Ы, 8, Сг, V, ТС и др.
При добавлении в структуру диоксида титана углеродных нанотрубок, которые повышают фотокаталитическую активность в видимом диапазоне из-за их уникальных электрических свойств, композиты на основе УНТ и диоксида титана (УНТ@ТЮ2) становятся материалами для потенциальных применений в устройствах очищения загрязненной воды и воздуха, фотокатализа, фотоэлектрокатализа, радаров выделения водорода, фотовосстановления СО2, солнечных батарей и др. Такие материалы УНТ@Т102 были изготовлены с использованием различных методов, таких как синтез золь геля Т1О2 в присутствии углеродных нанотрубок, механическим перемешиванием, химическим осаждением из газовой фазы и электроформованием.
В настоящее время в научно-образовательном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета ведется активная работа по получению и исследованию свойств таких наноматериалов. В частности, разработаны методы получения наноструктурированных материалов на основе оксидов переходных металлов, а также вышеупомянутых УНТ.
Все вышесказанное создало предпосылки для проведения на базе НОЦ НАНОТЕХ разработок по получению композиционных материалов на основе нанострутурированных слоев ЛЕОз и Т1О2 с многостенными углеродными нанотрубками.
В результате проделанной работы синтезированы и аттестованы композиты УНТ@АОА и YHT@TiÜ2-HT.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были достигнуты следующие результаты:
1) Выполнен литературный обзор по композитам на основе УНТ и оксидов металлов. Проведен анализ большого количества накопленных теоретических и экспериментальных данных по данной тематике. Описаны различные методы синтеза данных композитов. Показана актуальность получения УНТ@АОА и YHT@TiÜ2-HT с целью их применения в наноэлектронике. Изучены структура, свойства и применение композитов. Отмечены преимущества методов, используемых в работе, относительно известных в научном сообществе.
2) Синтезированы композиты УНТ@АОА и УНТ@ТЮ2-НТ. АОА и
ТЮ2-НТ синтезировались методом анодного окисления, который позволил получать упорядоченные наноструктурированные слои оксида алюминия и диоксида титана. УНТ синтезировались методом каталитического пиролиза этанола при температуре - 600 °С, давлении -
12 кПа. Катализатор помещался в наноструктуры АОА и ТЮ2 методами электрохимического осаждения, напыления никеля и золь-гель. Таким образом, показано, что УНТ синтезируются при любых методах помещения катализатора.
3) Проведены исследования методом электронной микроскопии. Получены изображения синтезированных композитов на основе УНТ и оксидов металлов. С помощью программно-аппаратного комплекса анализа изображений SIAMS оценен средний диаметр полученных УНТ и геометрические характеристики АОА и ТЮ2-НТ. Установлено, что композит УНТ@АОА синтезирован при помещении катализатора в поры мембран АОА с использованием золь-гель метода, а композит УНТ@ТЮ2-НТ при напылении слоя никеля толщиной 5 нм.
4) Выполнены исследования синтезируемых УНТ методом Рамановской спектрометрии. Получены Рамановские спектры УНТ до и после очистки. Проанализированы экспериментальные и литературные данные. Отмечены различия между Рамановскими спектрами УНТ до и после очистки. Показано, что полученные УНТ являются многостенными.
5) Проведены исследование электродов на основе ТЮ2-НТ и УНТ@Т1О2-НТ методом импедансной спектроскопии. Определены электрические схемы замещения, по которым оценены параметры электродов. С высокой точностью проведена аппроксимация экспериментальных данных. Отмечены различия между годографами для электродов на основе Т1О2-НТ и УНТ@Т1О2-НТ.
Таким образом, в данной работе представлена методика синтеза композитов УНТ@АОА и УНТ@ТЮ2-НТ. Разработанная методика синтеза используется в лабораторных работах магистров направления «Электроника и наноэлектроника».
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были достигнуты следующие результаты:
1) Выполнен литературный обзор по композитам на основе УНТ и оксидов металлов. Проведен анализ большого количества накопленных теоретических и экспериментальных данных по данной тематике. Описаны различные методы синтеза данных композитов. Показана актуальность получения УНТ@АОА и YHT@TiÜ2-HT с целью их применения в наноэлектронике. Изучены структура, свойства и применение композитов. Отмечены преимущества методов, используемых в работе, относительно известных в научном сообществе.
2) Синтезированы композиты УНТ@АОА и УНТ@ТЮ2-НТ. АОА и
ТЮ2-НТ синтезировались методом анодного окисления, который позволил получать упорядоченные наноструктурированные слои оксида алюминия и диоксида титана. УНТ синтезировались методом каталитического пиролиза этанола при температуре - 600 °С, давлении -
12 кПа. Катализатор помещался в наноструктуры АОА и ТЮ2 методами электрохимического осаждения, напыления никеля и золь-гель. Таким образом, показано, что УНТ синтезируются при любых методах помещения катализатора.
3) Проведены исследования методом электронной микроскопии. Получены изображения синтезированных композитов на основе УНТ и оксидов металлов. С помощью программно-аппаратного комплекса анализа изображений SIAMS оценен средний диаметр полученных УНТ и геометрические характеристики АОА и ТЮ2-НТ. Установлено, что композит УНТ@АОА синтезирован при помещении катализатора в поры мембран АОА с использованием золь-гель метода, а композит УНТ@ТЮ2-НТ при напылении слоя никеля толщиной 5 нм.
4) Выполнены исследования синтезируемых УНТ методом Рамановской спектрометрии. Получены Рамановские спектры УНТ до и после очистки. Проанализированы экспериментальные и литературные данные. Отмечены различия между Рамановскими спектрами УНТ до и после очистки. Показано, что полученные УНТ являются многостенными.
5) Проведены исследование электродов на основе ТЮ2-НТ и УНТ@Т1О2-НТ методом импедансной спектроскопии. Определены электрические схемы замещения, по которым оценены параметры электродов. С высокой точностью проведена аппроксимация экспериментальных данных. Отмечены различия между годографами для электродов на основе Т1О2-НТ и УНТ@Т1О2-НТ.
Таким образом, в данной работе представлена методика синтеза композитов УНТ@АОА и УНТ@ТЮ2-НТ. Разработанная методика синтеза используется в лабораторных работах магистров направления «Электроника и наноэлектроника».
содержание магистерской диссертации – СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ПОРИСТЫХ И НАНОТУБУЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
выдержки из магистерской диссертации – СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ПОРИСТЫХ И НАНОТУБУЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ