催化化学气相沉积合成的碳气凝胶的表面面积和孔隙度

文摘

本工作利用催化化学气相沉积法合成了碳气凝胶法(CCVD)。二茂铁被作为催化材料的来源(Fe)和碳。气态的氢气和氩气是用作还原剂和载气,分别。反应的产物收集/氧化铝。的形态和结构属性烟尘产生的反应室使用扫描电镜,研究高分辨率透射电子显微镜,x射线光电子能谱和N₂物理吸附(BET和BHJ方法)。评估后的多孔结构合成产品,780±20米²/克和0.55±0.02厘米³/克被发现。碳化铁的存在和部分氧化的碳纳米结构被XPS透露。

1。介绍

碳纳米结构的制备与形态特征将决定进一步的应用,如场发射器、储气库(H₂燃料电池)、传感器和生物传感器,等等(1]。吸附容量高、化学惰性和简单的再生性能,碳纳米结构使它们潜在的有用的吸附剂(2]。

碳气凝胶纳米多孔材料组成网络中的碳质颗粒均匀的纳米尺度的尺寸,一般以肤浅的区域被发现在400和1100之间²/ g和电导率的大约1000个/厘米。他们是高度要求在科学技术:其中最重要的应用的碳质电极和超级电容器结构,他们作为金属纳米颗粒(支持3,4]。

碳气凝胶通常由高温热解有机气凝胶的合成,进而准备两个单体的聚合(如resorcinol-formaldehyde)使用溶胶-凝胶方法和处理产生的物质在超临界条件下(5,6]。这种类型的非常不同的条件下合成涉及几个步骤。因此,一个简单的制备方法是一个重要的进步在这类材料的合成。化学汽相淀积(CVD)从碳氢化合物气体化合物或一氧化碳是一个相对简单的合成方法已经用于碳纳米结构的生长(7]。当使用金属纳米粒子等催化网站发展的碳纳米材料,它被描述为催化化学汽相淀积(CCVD) [8]。特别是,它提出了作为生长碳纳米管的方法和传统的多孔结构内丝碳气凝胶(9,10]。

在这种情况下,这项工作的目标是应用CCVD的技术,使用一个单一的有机金属化合物,二茂铁(Fe (C₅H₅)₂),作为催化剂和碳源和连续流反应系统有两个加热区分开。

2。实验装置

为了合成气凝胶,二茂铁作为同步源的催化材料(铁)和填充材料(C)。气态氢用作还原剂,而氩惰性载气。反应产品收集到铝或硅基板上。

反应室与前面描述的相似(11)是就业。二茂铁在预热室升华,温度设定在150°C,运输裂化反应器的流动的H₂和Ar。总的来说,150毫克的二茂铁被蒸发,在两个连续的步骤100毫克,50毫克,与10分钟。裂解炉的热解温度为900°C,和总气体流量是10毫升/分钟的成分1:1 v / v Ar: H₂。

为了消除铁的产品,集中盐酸和声波降解法。由此产生的材料使用扫描电子显微镜(SEM) JEOL扫描显微镜,模型房子- 6390,30 KV;高分辨率透射电子显微镜(HRTEM) JEOL透射显微镜,模型jem - 2100、200 KV;x射线光电子能谱(XPS)与热科学VG-Escalab 220 i-xl;N₂尽快与测微的表面物理吸附分析仪、模型2000年使用的赌注和BJH方法结构分析。在图1心血管疾病的一个示意图自制的反应堆和实验条件。

3所示。结果与讨论

在图2(一个),三个SEM显微照相的合成碳气凝胶在不同的放大显示,碳纳米管网络和团簇可以观察到。在放大倍数越低,纳米管泡沫集群SiO沉积₂衬底可以观察到,在5000 x 10000 x显微照相网络碳纳米管涂有纳米碳团簇显然是感激。这些结构的构成决定通过EDX显微镜相同的化学分析,发现只有C, Fe和O重量百分比为72.10;26.84;分别为1.06%(见图2 (b))。氧气的存在可能是由于表面氧化的铁纳米颗粒由于博览会时大气样品从CVD反应器中删除。碳气凝胶是在SiO表面均匀₂。

在图3介绍,四个显微照相的合成碳气凝胶所示可以看出网络的碳质结构,如碳纳米管和团簇(见显微图(a)和(b))。在显微图(c)和(d), (b)所示的连续增加,可以看出平均40 nm直径碳团簇。

XPS测试结果显示碳化铁的存在和部分氧化的碳纳米结构。碳气凝胶的XPS谱C和菲2 p介绍了数字区域4(一)和4 (b),分别。在第一个,我们看到三个山峰结合能(BEs) 286, 284,和280 eV,对应sp3碳碳键的四面体结构,碳碳sp2石墨结构,和铁₃C,分别12- - - - - -14]。碳化铁的高峰转移到一个较低的是相比其他报告(283 eV (13,15]),这个大转变的大约3电动车可以归因于与磁场相互作用的纳米颗粒的铁或铁之间的可能存在的低效的电气连接和C原子(14,16]。第四个高峰出现在278 eV C地区,用符号,可以归因于富勒烯碳丝17]。

在菲地区有三个山峰BEs 712、720和726 eV。712年和726年对应的信号和菲^{3 +}物种,分别,而中间信号是由于卫星的同一物种18]。

在图5N₂吸附等温式的77 K合成碳气凝胶可以观察到。在IUPAC / Brunauer-Emmett-Teller IV型的分类、典型的介孔材料(19]。考虑到非常低的下面physisorbed体积的增加0.05,它可以推断这个示例的微孔体积可以忽略不计。高压地区似乎H₃磁滞回线在一个相对压力高于0.8。这表明extraparticle大量中孔的存在可以之间形成相互连接的碳纳米颗粒(20.]。后评估合成产品的孔隙结构选择和BJH过程,它是找到一个打赌的表面积,的,米²/ g和BJH孔隙体积,的,厘米³/ g。测量的表面积non-microporous材料是相当大的。

二茂铁被经常采用铁催化剂的前体的CVD合成碳纳米管(21,22),通常作为碳源有机气体或蒸汽(碳氢化合物、醇类等)。已经少了很多用于制备碳纳米管催化剂和碳的唯一来源(23]。在目前的工作提出了一个简单的CCVD方法合成的碳气凝胶使用二茂铁作为源铁催化剂和碳填充材料。该方法比通常采用简单的合成在有机气凝胶,其中包括几个步骤不同条件下在一个足够的范围。报道的方法的一个关键过程的划分在两个连续的步骤二茂铁的蒸发,在很短的时间内两者之间蒸发步骤。这样,两阶段系统生成,随着碳纳米管缺陷,产生的碳纳米管与nanocapsules夫妇在第二步中,最后导致碳气凝胶。

4所示。结论

使用CCVD方法和二茂铁为原料,碳气凝胶的表面积和孔隙体积米²/ g和厘米³/ g得到了分别。大的表面积不是由于小孢子但聚合形成的中孔碳纳米结构。这些多孔属性是有前途的功能应用程序的物理吸附气体,例如,在燃料电池应用程序存储氢分子。XPS测试结果显示碳化铁的存在和部分氧化的碳纳米结构。

确认

作者感谢PDVSA-INTEVEP HRTEM化验、表面物理化学实验室IVIC XPS测量,和碳实验室USB N₂物理吸附测量。

引用

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