Метод электродугового разряда
Ме́тод электродугово́го разря́да, метод синтеза, который заключается в испарении исходного материала посредством дугового разряда между электродами с последующей конденсацией и ростом наночастиц. Метод используется для получения наночастиц металлов или оксидов металлов, инкапсулированных структур, углеродных нанотрубок, фуллеренов и графеновых плёнок. Оборудование для синтеза методом электродугового разряда включает источник тока для создания электрической дуги, анод из исходного материала и катод из углерода или вольфрама, которые находятся в камере, заполненной газом. Газ, в котором проводится синтез, может быть инертным (например, аргон или гелий) или реакционноспособным (например, кислород, метан или водород). В месте возникновения электрической дуги на электроде температура резко возрастает, при этом происходит испарение материала электрода. За пределами электрической дуги температура падает, что приводит к конденсации, зародышеобразованию и росту наночастиц.
Использование атмосферы водорода вместо инертной в процессе электродугового разряда для получения углеродных наноматериалов предотвращает образование замкнутых структур, таких как углеродные нанотрубки и фуллерены, и способствует формированию графеновых слоёв. Ключевая роль водорода заключается в гидрировании образующихся фрагментов графена, что предотвращает их коагуляцию в замкнутые соединения. Скорость охлаждения продуктов при синтезе графена также влияет как на выход графеновых структур, так и на количество слоёв из-за изменения кинетики процессов конденсации.
Методом электродугового разряда получают наночастицы переходных металлов (железо, медь и никель), их оксидов и инкапсулированных частиц – железа с углеродной оболочкой, кобальта с кремниевой оболочкой. Для создания таких материалов используется электрод из чистого металла или из смеси металла с углеродом или кремнием. Для синтеза наночастиц металла в качестве среды используется аргон или гелий. В случае получения оксидов металлов используется кислород, а металлов с оболочкой – метан, этанол, которые могут быть источником углерода для формирования структур «ядро-оболочка».
Получение фуллерена
Синтез фуллерена с использованием дугового разряда основан на испарении углерода посредством создания электрической дуги между углеродными анодом и катодом в инертной среде (гелий и аргон). В качестве источника углерода выступает графит, реже – очищенный уголь. В ходе получения фуллерена производится постепенное сближение графитовых анода и катода, при контакте которых происходит резистивный нагрев. Затем стержни раздвигаются так, чтобы между ними образовался небольшой зазор (около 1 мм) с электрической дугой. При этом углерод переходит в состояние плазмы и графитовые электроды испаряются до тех пор, пока пространство между кончиками стержней не станет достаточно большим, чтобы остановить процесс образования электрической дуги. Температура каждого стержня достигает 4000 К, поэтому стержни охлаждаются в ходе процесса. По окончании процесса реактор остужают и собирают сажу, содержащую фуллерен С60 со стенок камеры.
Получение углеродных нанотрубок
Метод электродугового разряда является распространённым, а также первым применённым методом для получения углеродных нанотрубок. В данном методе используется конструкция, включающая анод и катод из высокочистого графита, которые находятся в инертной среде гелия. Электрический разряд создаётся для достижения высокой температуры, необходимой для испарения атомов углерода. После стабилизации дуги между электродами сохраняется расстояние в несколько миллиметров и углеродные нанотрубки осаждаются на катоде и стенках камеры по мере того, как анод расходуется в процессе синтеза. Метод электродугового разряда для синтеза углеродных нанотрубок может применяться как в присутствии катализатора, так и без него. Для получения одностенных нанотрубок используется комплексный анод, состоящий из смеси графита и металла-катализатора (Fe, Co, Ni, Pt, Pd и другие переходные металлы, а также их смеси), в то время как многостенные нанотрубки могут быть получены в ходе электродугового синтеза без катализатора. Данный метод характеризуется получением нанотрубок малой длины. Диаметр одностенных нанотрубок варьируется от 0,6 до 1,4 нм, а диаметр многостенных достигает 10 нм. Преимуществом данного метода является его простота в исполнении, однако выход нанотрубок достаточно мал и не превышает 30 %, а количество примесей, которые включают аморфный углерод, графитизированные частицы и фуллерены, выше, чем в других методах.
Литература
- An overview on methods for the production of carbon nanotubes / N. M. Mubarak, E. C. Abdullah, N. S. Jayakumar, J. N. Sahu // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2014. – Vol. 20, № 4. – P. 1186–1197.
- Comprehensive materials processing / ed. by S. Hashmi. – Amsterdam : Elsevier, 2014. – Vol. 8.
- The synthesis of few-layered graphene by the arc discharge sputtering of a Si-C electrode / D. V. Smovzh, I. A. Kostogrud, S. Z. Sakhapov [et al.] // Carbon. – 2017. – Vol. 112. – P. 97–102.
- Industrial oriented approach on fullerene preparation methods / A. Ramazani, M. A. Moghaddasi, A. M. Malekzadeh [et al.] // Inorganic Chemistry Communications. – 2021. – Vol. 125. – 108442.