Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

«Горячие» трансформации графена и углеродных нанотрубок

Ключевые слова:  графен, катализатор, наночастицы, углеродные наноматериалы, углеродные нанотрубки

Опубликовал(а):  Попова Олеся Геннадьевна

02 декабря 2014

В результате исследования, проведенного в лаборатории член-корр. РАН В.П.Ананикова в Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН, было обнаружено и систематизировано многообразие процессов, протекающих на поверхности углеродных материалов, покрытых наночастицами металлов. В частности, нагретые под действием микроволнового излучения наночастицы металлов приводят к активному структурированию поверхности углерода: происходит образование каналов, как на поверхности, так и внутри объема углеродной подложки, активный рост нанотрубок различного размера.

Результаты исследования российских ученых, опубликованные в американском журнале ACS Catalysis, позволяют значительно лучше понять наноструктуру поверхности таких многокомпонентных каталитических систем, разработать новые более экономичные способы получения углеродных нанотрубок, а проведенные в этой же работе теоретические исследования объясняют возможность образования углеродных нанотрубок в результате конденсации циклопарафениленовых колец. Знание закономерностей структурирования поверхности в процессе получения катализатора позволяет более осмысленно и целенаправленно регулировать его каталитическую активность, что приведет к получению новых активных катализаторов.

Рисунок 1. Разогретые до высокой температуры наночастицы металлов инициируют «разрезание» графенового слоя (etching of graphene), циклизацию углеродных нанолент (nanoribbons cyclization), образование циклопарафениленовых колец (cycloparaphenylenes formation) и рост углеродных нанотрубок (nanotube growth).

Углеродные нанотрубки представляют собой наноразмерные трубчатые структуры, стенки которых состоят из атомов углерода, организованных в виде соединенных между собой шестичленных циклов. Получение углеродных нанотрубок, систематическое изучение которых началось в начале девяностых годов, ознаменовало собой начало эры нанотехнологий. Углеродные нанотрубки можно отнести к аллотропным модификациям углерода наряду с графитом и алмазом, однако, в отличие от последних, нанотрубки не встречаются в природе и являются искусственными структурами. Нанотрубку можно представить как лист графена (плоский лист толщиной в один атом, состоящий из атомов углерода), свернутый в цилиндр и склеенный своими краями. Углеродные нанотрубки имеют широкий спектр как потенциальных, так и уже реализованных применений: они могут использоваться как наполнители композиционных материалов, сенсоры газов и различных активных молекул, компоненты наноэлектронных устройств и аккумуляторов энергии.

Одним из наиболее перспективных методов получения углеродных нанотрубок является метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако метод CVD имеет ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость, использование в качестве исходного сырья углеводородов, что приводит к небезопасности такой технологии.

Перспективным материалом для получения нанотрубок является графит, состоящий из уложенных друг на друга листов графена. Использование графита в качестве исходного материала для получения нанотрубок, возможно, приведет к более безопасной и экономичной технологии промышленного получения таких структур. Как же заставить плоские листы графита свернуться в нанотрубки? Будет ли такой процесс возможен в соответствии с законами термодинамики?

Авторы работы выдвинули гипотезу, согласно которой на первых стадиях процесса лист графена разрезается на полоски, шириной в одно ароматическое кольцо. Затем каждая такая полоска сворачивается в цикл, соединяясь концами. В органической химии структуры с таким строением в своей основе – циклопарафенилены – известны и получены экспериментально. После этого циклопарафениленовые кольца, которые можно рассматривать как сегменты будущей нанотрубки, соединяются вместе, формируя стенку трубки, которая одним своим концом прикреплена к краям отверстия в листе графена, образованного раскаленной наночастицей металла. Все стадии такого процесса были смоделированы методами квантовой химии с использованием полуэмпирических (PM6) методов и методов теории функционала плотности (B3LYP, oB97XD, M06, M06L) на примере образования нанотрубки типа (6,6).

Рисунок 2. Схема образования нанотрубки типа (6,6) из плоского листа графена. Реакции (1), (2) и (3) соответствуют исходным листам графена с различным количеством атомов водорода по краям.

В результате моделирования было установлено, что энергия такого процесса очень сильно зависит от состояния краев исходного графенового листа. В случае, если каждый атом углерода на краях листа соединен с одним атомом водорода (реакция 1, рис. 2), реакция образования нанотрубки сопровождается выделением 20 молекул водорода и энергетически невыгодна, так как приводит к увеличению энергии в 2.5 ккал/моль на один атом углерода. Реакция с частично гидрированным краем листа графена (2) энергетически осуществима и сопровождается уменьшением энергии на 1.5 ккал/моль на один атом углерода. Наиболее энергетически выгодным процессом является образование трубки из полностью дегидрированного листа графена (реакция 3), которая сопровождается уменьшением энергии реагирующей системы на 4.6 ккал/моль на один атом углерода. Таким образом, трансформация графена в нанотрубку вполне вероятна.

Как же осуществить такое преобразование углеродной плоскости в трубку на практике? Начало этому может положить экспериментальная методика, отработанная авторами статьи, и основанная на использовании микроволнового излучения. Микроволновые технологии постепенно входят в повседневный инструментарий химиков в последнее время. Как и в методе CVD, и здесь ключевую роль играют наночастицы металла. Если покрыть поверхность графита наночастицами металла (например, никеля или железа), и затем этот материал подвергнуть действию микроволнового излучения в инертной атмосфере, то происходит активный рост нанотрубок, катализируемый этими металлическими частицами. Причем частицы металла остаются связанными с растущим концом нанотрубки. Кроме этого некоторые расплавленные частицы металла перемещаются по поверхности графита, формируя наноканалы и разрезая листы графена на полоски и чешуйки различного размера. Эти явления открывают путь к получению наноструктурированных катализаторов, в которых наночастицы металлов не просто нанесены на поверхность графита, а включены в состав нанотрубок, и дают возможность разработать методы структурирования поверхности графита в наномасштабе, использующие раскаленные наночастицы металлов в качестве «выжигателей».

По мнению Нобелевского лауреата по химии Роальда Хоффмана, посетившему недавно ИОХ РАН, область каталитической химии, возникшая в последнее время на стыке металлокомплексного катализа и нанотехнологий, представляет собой огромный интерес, как в прикладном значении, так и в фундаментальных вопросах химии каталитических процессов. Особым вниманием профессор Хоффман отметил каталитические системы, сочетающие в себе наночастицы металлов и углеродных нанотрубок, в которых «вызывает удивление возможность свободного перемещения кластера металла внутри нанотрубки». Такие динамические эффекты дают возможность проводить каталитическую реакцию не на поверхности, а внутри нанотрубки, которая будет служить миниатюрным реактором с регулируемой каталитической активностью.

Статья «Noninnocent Nature of Carbon Support in Metal/Carbon Catalysts: Etching/Pitting vs Nanotube Growth under Microwave Irradiation» Evgeniy O. Pentsak, Evgeniy G. Gordeev, Valentine P. Ananikov опубликована в журнале ACS Catalysis американского химического общества.

Библиографическая ссылка: ACS Catalysis, 2014, Vol. 4, pp. 3806−3814;

DOI: 10.1021/cs500934g.

Он-лайн ссылка: http://dx.doi.org/10.1021/cs500934g

Размещено по материалам пресс-релиза.





Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Год Обезьяны
Год Обезьяны

Сборник заданий Олимпиады 2017/2018
В раздел "Архив" сайта олимпиады загружен сборник заданий и авторских решений всех конкурсов заочного и очного туров прошедшей XII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". Авторы заданий - научные сотрудники и преподаватели химического, физического, биологического факультетов, факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова и другие авторы.

Химики из МГУ свернули двумерный теллурид кадмия в нанотрубки
Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова вместе с иностранными коллегами обнаружили, что двумерные листы теллурида кадмия могут самопроизвольно сворачиваться в нанотрубки, что может найти применение в электронике и фотонике.

Закрытие наноолимпиады (творческие моменты)
Завершилась XII наноолимпиада. 31 марта 2018 года в актовом зале Шуваловского корпуса МГУ состоялась торжественная церемония закрытия и награждения победителей и призеров XII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". И самое интересное - огромный творческий вклад в олимпиады внесли "наногиды" - студенты ФНМ МГУ, выпускники олимпиады прошлых лет.

Naming story - Alternative version
Kira Efremova, Olga Efremova
Работа призеров III степени Фотоконкурса таблиц Д.И.Менделеева, посвященного Международному году Периодической таблицы химических элементов, XII Интернет-олимпиады по нанотехнологиям Kira Efremova (Windmill Hill Primary School) и Olga Efremova (University of Hull, Cheshire, United Kingdom).

Периодическая система элементов Д.И.Менделеева. Таблица? Пирамида!
Оганесян Екатерина Сергеевна
Работа призера II степени Фотоконкурса таблиц Д.И.Менделеева, посвященного Международному году Периодической таблицы химических элементов, XII Интернет-олимпиады по нанотехнологиям Оганесян Екатерины Сергеевны (к.э.н., доцент, Институт химии и проблем устойчивого развития, РХТУ имени Д.И.Менделеева, г.Москва)

СЗМ портрет Д.И.Менделеева и изображение ячейки углерода
Погорелова Валерия Дмитриевна, Янаслова Ксения Ивановна
Работа победителей I степени Фотоконкурса таблиц Д.И.Менделеева, посвященного Международному году Периодической таблицы химических элементов, XII Интернет-олимпиады по нанотехнологиям Погореловой Валерии Дмитриевны и Янасловой Ксении Ивановны (9 класс, МБОУ "Лицей № 2", г.Чебоксары).

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.