Углеродные нановолокна: получение, структура и применения

← назад в раздел База знаний

Углеродные нановолокна (carbon nanofibers, CNF) представляют собой непрерывные линейные нити (из сложеных графеновых слоев) на основе атомов углерода в sp²-гибридизации. Как правило, CNF получают в основном методом каталитического химического осаждения из паровой фазы (CVD). Углеродные нановолокна обладают гибкостью, сверхпрочностью и высокой удельной площадью поверхности благодаря своему наноразмерному диаметру, что позволяет применять их в качестве электродных материалов для устройств накопления энергии, каркаса костной ткани, наполнителя в пластмассах, армированных углеродным волокном, и во многих других областях применения.

Введение

После Металлов самым известным материалом является Углерод. Атомы углерода соединяются друг с другом, образуя волокна, и за счет этого получается действительно легкий и прочный композитный материал. Благодаря высокому уровню гибкости химических связей атома углерода могут образовываться различные стабильные молекулы. Все аллотропные модификации углерода обладают элементарным Углеродом, но с совершенно разными свойствами. Углеродные нанотрубки известны своими улучшенными электрическими, тепловыми, механическими свойствами и электромагнитным экранированием. Углерод дешев, что делает его популярной добавкой к композитным материалам. Для изучения свойств CNF необходимы такие методы, как атомно-силовая микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия. CNF представляют собой наноструктуры цилиндрической формы со слоями графена, организованными в виде чашек, пластин или уложенных друг на друга конусов (рис. 1)

Рисунок 1. Морфологические разновидности углеродных нанотрубок и углеродного нановолокна: а - нановолокно "столбик монет"; б - нановолокно "елочной структуры" (стопка конусов); в - нанотрубка "стопка чашек" ("ламповые абажуры"); г - нанотрубка "русская матрешка"; д - бамбукообразное нановолокно; е - нановолокно со сферическими секциями; ж - нановолокно с полиэдрическими секциями; з - "рыбий хребет.

В 1879 году Томас Эдиссон использовал волокна бамбука и хлопка в качестве нити накаливания, карбонизируя их для получения углеродного волокна. С тех пор методика получения была значительно модернизирована. Углеродные нановолокна применяются в различных областях в качестве перспективного материала, например, для хранения энергии и ее преобразования, в сенсорных устройствах и при армировании композитных материалов. Линейные нити на основе связей sp² представляют собой углеродное нановолокно диаметром 100 нм и характеризуются гибкостью и соотношением сторон (1 к 100). Волокнистые материалы имеют большое значение как с научной, так и с практической точки зрения. CNF может использоваться в аэрокосмической промышленности и автомобилестроении для изготовления прочных композитов благодаря гибкости CNF, высокой механической прочности и высокой удельной площади. За исключением диаметра, структура CNF сильно отличается от традиционных углеродных волокон.

Синтез углеродных нановолокон

Углеродные нанотрубки очень подходят для изготовления современных конденсаторов и упаковки полупроводниковых изделий благодаря превосходным характеристикам CNF в сочетании с низкотемпературным детерминированным процессом роста. Эффективная площадь поверхности значительно увеличивается, когда CNF выращиваются на поверхности металлов. Они состоят из усеченных конических плоских слоев, равномерно уложенных по длине нити. Они полезны в качестве армирующих наполнителей в полимерных композитах, в фотохимических ячейках в качестве генераторов фототока, в материалах-носителях катализаторов и в пластмассах, армированных углеродным волокном, в качестве наполнителей гибридного типа, и все это благодаря их замечательной структуре, которая химически активна и обладает свойствами полупроводника. Углеродные нановолокна также выполняет функцию материала электрода, а также находят применение в биомедицине.

Хорошо известным методом синтеза является электроформование полиакрилонитрила (PAN) с последующей стабилизацией, а затем карбонизацией. Это удобный метод получения непрерывных углеродных нановолокон, которые проявляют заметно отличающиеся и замечательные свойства, которые делают их пригодными для различных применений.

CNF высокой чистоты в промышленных объемах и при низких затратах были получены с помощью процесса химического осаждения из паровой фазы. Таким вариантом является CCVD (combustion chemical vapor deposition) или просто CVD. При высокой температуре происходит разложение молекул газовой фазы (метана) и осаждение углерода на подложке в присутствии катализатора из переходного металла.

Свойства углеродных нановолокон

Углеродные нановолокна представляют собой волокнистые, длинные слои углерода в виде пластинок и одиночные слои, выровненные перпендикулярно и вложенные под углом друг к другу. Используемый катализатор определяет их расположение. Класс CNF — это одномерные углеродсодержащие материалы. CNF отлично подходят для накопления как лития, так и натрия. Для неуглеродистых электродов CNF действуют как пористые и электропроводящие подложки, тем самым улучшая их ионную и электронную проводимость, стабилизируя структуру электродов во время циклирования, что приводит к улучшению электрохимических характеристик неуглеродистых катодных и анодных материалов. Отдельная углеродная нанотрубка может вырасти до нескольких микрон. Благодаря действию слабого электрического поля на такие CNF их можно легко согнуть, но после отключения поля даже после 900 переключений она может вернуться в исходное положение.

Углеродные нанотрубки имеют шероховатую поверхность со множеством ребер и углов, что делает CNF идеальным материалом для процессов адсорбции/десорбции. Если между слоями углеродных нанотрубок нанести промежуточные слои металла, то улучшается связывание материала в CNF с матрицами из металла и керамики. Для придания требуемых механических свойств к этим волокнам добавляют другие материалы. Для достижения высоких эксплуатационных характеристик углеродных волокон очень важно контролировать наноструктуру и микроструктуру путем выбора подходящих органических прекурсоров и соответствующих условий обработки. Различные замечательные возможности открываются при использовании CNF в каталитических процессах благодаря сочетанию каталитической активности с их замечательной тепло- и электропроводностью.

Применение углеродных нановолокон

Углеродные нановолокна используются в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в источниках автоэлектронной эмиссии, при имплантации и многом другом.

Для доставки лекарств, в медицине

Углеродные нановолокна могут использоваться для направленного транспорта терапевтических препаратов в требуемое место в органы-мишени. Разработан эластичный материал, в который встроены углеродные нанотрубки, напоминающий иглу. CNF используются в этом случае в качестве накопителя и вводятся рядом с пораженной тканью, что позволяет CNF доставлять лекарства, проникая в пораженные клетки.

В качестве электродных материалов

Углеродные нановолокна также находят применение в качестве материала электрода для суперконденсаторов. Срок службы суперконденсаторов в 100 раз больше, чем литиевых батарей. Они обладают высокой удельной мощностью. Эффективная площадь материала электродов определяет их производительность. Гибкие листы углеродных нановолокон используются в суперконденсаторах в качестве электродных материалов благодаря их высокой электрохимической и механической стабильности, а также порам, которые очень хорошо взаимосвязаны и большой эффективной площади поверхности.

Как источник автоэлектронной эмиссии

Автоэлектронная эмиссия — испускание электронов под действием электростатического поля. Чаще всего — автоэмиссия с твердой поверхности в вакууме. Однако автоэлектронная эмиссия может происходить с твердых или жидких поверхностей в вакуум, воздух, жидкость или любой непроводящий или слабопроводящий диэлектрик. Вызванное полем продвижение электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводников (эффект Зенера) также можно рассматривать как форму автоэлектронной эмиссии.

Композитные материалы

Углерод-углеродно-композитный материал может быть изготовлен с помощью процесса, который включает этапы обработки углеродсодержащего материала-носителя материалом-катализатором, содержащим металл. Этим металлом могут быть сформированы углеродные структуры наноразмеров, которые далее могут быть маштабированы.Этот процесс обеспечивает однородный химический состав поверхности, гидродинамические свойства и оптимизацию пористости, что особенно важно при использовании композита для очистки воды. Для применения в качестве наполнителя очень полезны композиты на основе черного Углерода.

Для доставки генов

Доставка генов с помощью наноматериалов, так же может быть осуществлена с помощью углеродныго нановолокна. Плазмидная ДНК, содержащая ген, предназначенная для внутриклеточной доставки, прикрепляется к поверхности наноструктуры (в виде иглы). К ткани или клеткам прижимается чип из массивов этих игл, пронзая клетки. Доставленный ген (гены) затем может экспрессироваться проколотыми клетками.

В 3D-печати

В настоящее время существует два метода печати с помощью углеродных нановолокон: непрерывное армирование углеродными нановолокнами и с использованием термопластичного наполнителя из измельченных углеродных нановолокон. CNF используется в обоих методах. Тем не менее, между ними существует огромная разница. Хотя для производства прототипа хорошим вариантом является измельченный CNF, но поскольку детали из металла требуют более высокой прочности, именно поэтому для их производства первый способ является наиболее используемым.В методе на основе измельченных CNF объект как-бы склеивается из маленьких кусочков, в то время как при непрерывном армировании CNF образуется непрерывное соединение.

Датчики и анализаторы

Регистрируя различия в электрических свойствах, возникающие в результате изменения внешних условий, которые включают напряжение или деформацию и состав газовойю среды, мы обычно можем обнаружить реакцию композиций УНВ на эти воздействия. Если внешние условия изменить на противоположные, они также напрмер, могут обратить вспять электропроводность композитов УНВ за счет обратимого изменения ее величины на несколько порядков. Очень высокая электропроводность этого же композита при растяжении также способна менять свою величину на несколько порядков. Все это позволило изготовить датчик газа на основе CNF. Согласно этому исследованию, изменение электропроводности на пять порядков можно легко использовать для обнаружения пара. Также был собран датчик для распознавания токсичных (раздражающих газов), таких как NH₃ и HCl. На основе регистрации деформация/напряжения или состава газа, температура, влажность, магнитное поле и свет являются такими важными параметрами, которые необходимо измерять во многих приложениях. Что требует разработки соответсвующих сенсоров на основе углеродного нановолокна.

В аккумуляторах

Для обеспечения высокой производительности аккумуляторов и суперконденсаторов основным требованием является использование высокопористых электродных материалов, способных содержать достаточное количество электролита и обеспечивать долговременный и быстрый перенос ионов. В литий-ионных аккумуляторах, которые являются перезаряжаемыми, нановолокна использовались в качестве анодого материала.

Выводы

Углеродные нановолокна (CNF) представляют собой непрерывные линейные нити на основе атомой углерода в sp²-гибридизации. Благодаря замечательным физико-химическим свойствам CNF, их низкой стоимости, малым размерам и наноразмерному диаметру, их можно использовать в электродных материалах накопителей энергии и суперконденсаторов, наполнителях в пластмассах, армированных углеродным волокном, каркасах из костной ткани, многофункциональных композитах, добавках для литий-ионных аккумуляторов, носителях частиц металла, в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в источниках автоэлектронной эмиссии и многом другом.

Ссылки: