No category

منبع پایان نامه درمورد دی اکسید کربن، تغییر رنگ، برخورداری

دانلود پایان نامه

بالا[۴۷]
روش
ابعاد
مزایا
معایب

ضخامت
جانبی

خودآرایی محدودشده
تک لایه
nm100
کنترل ضخامت
نواقص ساختاری
CVD
چندلایه (کم)
خیلی بزرگ (cm)
اندازه بزرگ و کیفیت بالا
مقیاس تهیه کم
رشد بر روی SiC
چندلایه (کم)
تا مقیاس cm
مساحت سطح بسیار بالا
مقیاس تهیه کم
بازکردن نانولوله کربنی
چندلایه (زیاد)
چندین ?m
کنترل اندازه
هزینه بالا
احیا اکسید گرافن
چندلایه (زیاد)
زیر مقیاس ?m
صفحات غیراکسیدشده
ناخالصی

روش‌های تولید بالا به پایین
در فرآیندهای بالا به پایین، گرافن و یا ورق گرافن اصلاح شده می‌تواند از طریق جدا شدن یا لایه برداری ازگرافیت و مشتقات آن(مانند گرافیت اکساید و گرافیت فلوراید) به وجود آید.[۴۸] این روش میزان زیادی از ورق های گرافن را در اختیار می گذارد. در نتیجه این روش مناسب برای تولید در مقیاس صنعتی می باشد و گرافن مورد نیاز برای برنامه های کاربردی و کامپوزیت‌های پلیمری را تأمین می کند. روش تولید از بالا به پایین مزایای قابل توجه اقتصادی را نسبت به روش تولید پایین به بالا دارا می باشد.گرافیت یک کالای صنعتی است که سالانه بیش از ۱.۱ میلیون تن در جهان تولید می شود و در سال ۲۰۰۸ با قیمت ۸۲۵ دلار به ازای هر تن فروش می رفت. بنابر این رویکرد تولید بالا به پایین با جزییات بیشتری بحث خواهد شد و از روش‌های تولید پایین به بالا صرف‌نظر می شود. شکل ۲-۲۳ نموداری را نشان می دهد که خلاصه راه های تولید گرافن یا گرافن اصلاح شده با شروع از گرافیت یا گرافن اکساید را نمایش می دهد.

شکل ‏۲-۲۳ به دست آوردن گرافن با منشأ گرافیتی[۴۷].
گرافیت منبسط شده توسط عملیات حرارتی یا عملیات اسیدی[۴۹], [۵۰]، می‌تواند شکل دیگری از کربن را به صورت دو بعدی تولید کند که دارای ضخامت nm100 می باشد و از آن به‌عنوان پرکننده در کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می شود. اخیرا همچنین شکل نازک تری از گرافیت منبسط شده باضخامت nm10 که آن را با نام نانو صفحه های گرافیت می شناسیم از گرافیت فلورینه با عملیات حرارتی[۵۱] و یا تابش امواج ماکروویو [۵۲] بر گرافیت منبسط شده به وسیله اکسید تولید شده است. نانوصفحه های گرافیت به دلیل داشتن سطح ویژه بالاتر و همچنین برخورداری از ضخامت کمتر و دارا بودن لایه های بیشتر در یک ترکیب درصد ثابت در مقایسه با گرافیت، هدایت الکتریکی پلیمرها و همچنین خواص فیزیکی و مکانیکی آنها را به میزان قابل ملاحظه ای بیشتر از گرافیت افزایش می دهد[۵۲], [۵۳]. از آنجا که تمرکز ما در این پروژه بر روی گرافن تک لایه است، به همین تعریف از نانوصفحه های گرافیت بسنده کرده و در ادامه به بررسی گرافن تک لایه پرداخته می شود.
لایه برداری مستقیم از گرافیت
توجه و علاقه به گرافن از برش میکرومکانیکی گرافیت به وجود آمد[۵۴]. این روش می‌تواند ورق های گرافن با اندازه بزرگ و با کیفیت را تولید کند؛ اما میزان تولید آن به شدت کم و محدود است که این امر سبب می شود استفاده از این روش برای تولید گرافن تنها برای مطالعات بنیادی و برنامه های کاربردی و خاص امکان پذیر باشد[۵۴]. بااین‌حال به تازگی گرافیت به طور مستقیم در حضور پلی وینیل پیرولیدین[۵۵] یا ان-متیل پیرولیدین [۵۶]و همراه با اعمال فراصوت تبدیل به گرافن چند لایه و تک لایه شده است. همچنین توانسته اند این نوع از گرافن را با استفاده از عامل دار کردن الکتروشیمیایی در محلول‌های یونی[۵۷] و انحلال در سوپراسیدها[۵۸] به دست بیاورند. روش اعمال فراصوت مستقیم پتانسیل لازم برای تولید گرافن تک لایه و چندلایه در مقادیر بالا و همچنین عامل دار کردن گرافن برای برنامه های کاربردی و استفاده در کامپوزیت‌ها را دارا می باشد. اما جدا کردن و لایه برداری ورق های گرافن از توده گرافیت می‌تواند به چالشی برای استفاده از این روش تبدیل شود. همچنین انحلال گرافیت در کلروسولفوریک اسید نیز پتانسیل لازم برای تولید گرافن در مقیاس بزرگ را دارا می باشد، اما به دلیل خطرناک بودن این حلال و همچنین هزینه های بالای خارج کردن حلال از این سامانه، استفاده از این روش محدود شده است[۵۸]. لازم به ذکر است که روش لایه برداری الکتروشیمیایی تولید ورق های گرافن عامل دار شده با گروه‌های ایمیدازیولیوم می کند که سبب می شود گرافن به راحتی در حلال های قطبی پخش شود[۵۷].
گرافیت اکساید
در حال حاضر امیدوارکننده ترین روش برای تولید گرافن در مقیاس صنعتی بر پایه لایه برداری از گرافیت اکساید و احیا گروه‌های اکسیژنی موجود بر روی آن می باشد. گرافیت اکساید در حدود ۱۵۰ سال پیش توسط برودی۲۲ تهیه شد[۵۹]. همچنین گرافیت اکساید با تغییرات متفاوتی توسط روش های اشتودنمایر[۶۰] ۲۳ و هامرز۲۴[۶۱] تولید شد که در این روشها گرافیت با استفاده از اکسید کننده های قوی همانند پتاسیم پرمنگنات، پتاسیم کلرات و سدیم نیتریت در حضور اسید نیتریک و یا مخلوط آن با اسید سولفوریک اکسید می شود. با انجام این عملیات همانند گرافیت که از ورق های گرافن تشکیل شده است، گرافیت اکساید نیز از ورقهای گرافن اکساید تشکیل می شود که فاصله بین صفحات آنها بین A^°۶ و ?۱۰A?^° می باشد[۶۲]. ساختار گرافن اکساید از نظر مطالعات نظری[۶۳] و همچنین مطالعات آزمایشگاهی [۶۴]-[۶۶]در مقالات زیادی مورد بررسی قرار گرفته است. از این تحقیقات به طور خلاصه این نکته قابل ذکر است که گرافن اکساید بر روی سطح خود دارای گروه‌های عاملی اکسیژن دار اپوکسی، هیدروکسیل، کربوکسیل، حلقه لاکتون و کتون می باشد. سه روش اصلی تولید گرافن اکساید ذکر شده در بالا به صورت طرح‌واره‌ای در فرمول های ۲-۷ و ۲-۸ و ۲-۹ نمایش داده شده است[۶۷]:

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   منابع پایان نامه ارشد با موضوع علم مکانیک

(۱) Brodie method
Graphite+?KCLO?_4 ?(???HNO?_3?(60?) ?(??(H_2 O) ?(??Exfoliation GO)) ) (2-7)

(۲) Staudenmaier method
(۲-۸) Graphite?(??((H_2 ?SO?_4)??HNO?_3 )/(5?) ) ?(???KCLO?_4 ?(??(H_2 O) GO))
(۳) Hummers-Offman method
Graphite?(??(H_2 ?SO?_4)?(0?) ?(???KMNO?_4?(۲۰?) ?(??(H_2 O)?(90?) ?(??(H_2 O_2 ) ?(??Exfoliation GO)) ) ) ) (2-9)

احیا شیمیایی گرافن اکساید
در این روش، پراکندگی کلوییدی باثبات گرافن اکساید تهیه می شود و به دنبال آن مواد شیمیایی جهت احیای گروه‌های اکسیژنی ورق های گرافن اکساید اضافه می شود.برای تهیه کلویید پایدار گرافن اکساید می‌توان از حلال هایی نظیر آب، الکل و سایر حلال های قطبی همراه با امواج فراصوت و یا هم زدن این کلویید به مدت طولانی استفاده کرد. همچنین می‌توان ورق های گرافن اکساید را در حلال های قطبی به وسیله واکنش با ترکیبات آلی مانند ایزوسیانات[۶۸] و اکتادسیل آمین[۶۹] و یا سورفکتانت[۷۰] از هم جدا و به اصطلاح پرپر کرد.هرچند این سوسپانسیون ها می‌توانند برای تولید کامپوزیت های پلیمر/گرافن اکساید مورد استفاده قرار بگیرند، اما به دلیل هدایت الکتریکی و پایداری گرمایی پایین گرافن اکساید، این روش بدون نقص نیست. کلویید گرافن اکساید و یا گرافن اکساید اصلاح شده می‌توانند با استفاده از احیا شیمیایی گرافن اکساید با موادی همچون هیدرازین[۶۸], [۷۰] ، سدیم برماید به همراه هیدرازین[۷۱]، هیدروکینون[۷۲] و تابش اشعه فرابنفش[۷۳] احیا داده شده و به گرافن تبدیل شوند. در شکل ۲-۲۴ طرح‌واره‌ای از نحوه احیا گرافن اکساید و از بین رفتن گروه‌های عاملی اکسیژن دار با استفاده از هیدرازین نشان داده شده است:

شکل ‏۲-۲۴ احیا گرافن اکساید با استفاده از هیدرات هیدرازین و رسیدن به گرافن[۶۸]
اگرچه احیا شیمیایی گرافن اکساید یک راه مؤثر برای تولید ورق های گرافن را فراهم می کند، اما طبیعت خطرناک مواد شیمیایی مورد استفاده مورد استفاده و هزینه های بالای این مواد سبب کاهش کاربرد استفاده از این روش برای تولید صنعتی ورق های گرافن می شود. یک راه شیمیایی مؤثر جایگزین برای کاهش ورق های گرافن، دی هیدراته کردن گروه‌های عاملی هیدروکسیل در آب تحت فشار بالا و محدوده دمایی بین ?۱۲۰ تا ?۲۰۰ می باشد[۷۴]. از پودر آلومینیوم به‌عنوان کاتالیزور۲۵ و جهت سرعت بخشیدن به این روند احیا گرافن اکساید استفاده می شود[۷۵]. تصویر ۲-۲۵ تغییر رنگ نشان دهنده احیا گرافن اکساید را به خوبی نشان داده شده است.

شکل ‏۲-۲۵ تغییر رنگ احیا گرافن اکساید(سمت چپ) و تبدیل آن به گرافن(سمت راست)[۷۴].

لایه برداری حرارتی۲۶ و احیا گرافن اکساید
گرافن اکساید احیا شده را می‌توان باحرارت دادن گرافن اکساید خشک تحت گاز بی اثر و دمای بالا به دست آورد. حرارت دادن گرافن اکساید تحت محیط خنثی در دمای ?۱۰۰۰ به مدت sec30 منجر به احیا و لایه برداری گرافن اکساید و تولید ورق های گرافن می شود[۷۶], [۷۷]. لایه برداری گرافن اکساید تحت فشار تولید شده توسط گاز دی اکسید کربن سبب تجزیه گروه‌های عاملی اپوکسی و هیدروکسیل موجود در سطح گرافن اکساید به دلیل وارد کردن نیروهای بیش از حد وان در والسی به یکدیگر می باشد. بر اثر این واکنش و تجزیه و از دست رفتن گروه‌های عاملی اکسیژن دار موجود بر روی سطح گرافن اکساید، حدودا ۳۰ درصد وزن گرافن اکساید کاهش یافته و به گرافن تبدیل می شود[۷۷]. این لایه برداری منجر به انبساط شدید ۱۰۰ تا ۳۰۰ برابری ورق های گرافن اکساید احیا شده می شود و سبب کاهش دانسیته شدید توده و بالک ورق های گرافن می شود. شکل ۲-۲۶ این مفهوم را به خوبی بیان می کند.

شکل ‏۲-۲۶ تغییر حجم gr 0.5 گرافن اکساید در اثر گرمادهی سریع تا ?۱۰۰۰ و تبدیل شدن به ml75 گرافن[۴۷].
به علت از دست دادن دی اکسید کربن موجود بر روی سطح گرافن اکساید[۷۶], [۷۷]، ساختار این ماده دچار نقص شده و ورق های گرافن به شدت چین می خورند و ساختار نامنظمی می گیرند. این نکته در تصویر میکروسکوپ الکترونی گرفته شده از ورق های گرافن اکساید کاش یافته شده به روش ذکر شده در تصویر ۲-۲۷ کاملاً مشهود است.

شکل ‏۲-۲۷ تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) از گرافن اکساید احیا شده به روش گرمایی که به شکل یک کاغذ مچاله شده در آمده است[۷۶].
۸۰% ورقهای گرافن تولید شده به روش بالا تک لایه۲۷ بوده و دارای اندازه متوسط nm500 می باشند؛ بدون اینکه اندازه این صفحات ارتباطی با اندازه صفحات گرافن اکساید اولیه داشته باشد[۷۶]. از جمله مزایای استفاده در تولید ورق های گرافن به این روش احیا شیمیایی ورق های گرافن اکساید بدون نیاز به پراکندگی این ورق ها در حلال و استفاده از حلال می باشد. نسبت گروه‌های کربنی به گروه‌های اکسیژنی در ورق های گرافن احیا شده به روش حرارتی به صورت ۱۰ به ۱ می باشد، درحالی که این نسبت در گرافن اکساید به صورت ۲ به ۱ می باشد[۷۶]. پس با احیا گرافن اکساید، کاهش شدید گروه‌های اکسیژنی در گرافن

دیدگاهتان را بنویسید