Carbon nanotube synthesis with different catalysts

Abstract

Karbon nanotüplerin 1991 yılında keşfedilmeleri büyük ilgi uyandırmıştır. Karbon nanotüpler günümüzde nano teknolojinin vazgeçilmez unsurlarındandır ve yoğun olarak araştırılan malzemelerdir. Mekanik, kimyasal, ısıl ve elektriksel özelliklerinin çok iyi olması sebebiyle karbon nanotüpler birçok farklı potansiyel uygulama için umut vaat etmektedir. Sahip oldukları eşsiz özellikler ile elektronik malzemeler, piller, elektrotlar, ilaç taşıma sistemleri, hidrojen depolama, tekstil gibi çok çeşitli alanlarda kullanılabilmektedirler.Katalitik kimyasal buhar birikimi (KKBB) yöntemi karbon nanotüp sentezinde ve özellikle seri üretimde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Uygun bir substrat üzerine doyurulmuş katalizör, katalitik kimyasal buhar birikimi yöntemi ile sentezlemede önemlidir. Katalitik kimyasal buhar depolama yöntemi ile karbon nanotüp sentezinde çeşitli katalizör ve substrat malzemeler kullanılmaktadır.Bu çalışmada; demir (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), vanadyum (V) gibi metaller toz halindeki magnezyum oksit (MgO) substrat malzemesi ile doyurulmuş, elde edilen katalizörler ve karbon kaynağı olan asetilen (C2H2) ile KKBB yöntemi uygulanarak karbon nanotüpler sentezlenmiştir. Karbon nanotüp sentezi farklı koşullarda gerçekleştirilmiş: sentez süresi 30 ve 60 dakika, sentez sıcaklığı belirli katalizör substrat oranları için 500 ve 800°C olarak seçilmiştir. Metal katalizörlerin birbirleriyle olan etkileşimini incelemek amacıyla demir ve kobalt ikili katalizörü ile de karbon nanotüpler sentezlenmiştir. Sentezlenen karbon nanotüplerin karakterizasyonunda termogravimetrik analiz (TGA), Raman spektroskopisi, geçirimli elektron mikroskobu (TEM) gibi teknikler kullanılmıştır. Bu tekniklerle, farklı katalizörler kullanılarak sentezlenen karbon nanotüplerin karbon verimleri belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır.

The discovery of carbon nanotubes (CNTs) in 1991 attracted a great deal of attention. CNTs are today one of the key elements of nanotechnology and are among most intensively investigated materials. CNTs with their high mechanical, electrical, thermal and chemical properties are regarded as promising materials for many different potential applications. Having unique properties they can be used in a wide range of fields such as electronic devices, electrodes, drug delivery systems, batteries, hydrogen storage, textile etc.Catalytic chemical vapor deposition (CCVD) is a common method of CNT synthesis especially for mass production. Catalyst impregnated on a suitable substrate is important for synthesis with chemical vapor deposition (CVD) method. Different catalyst and substrate materials are used in CNT synthesis by CCVD method.In this study, CNTs were synthesized by CCVD with carbon source of acetylene (C2H2) on magnesium oxide (MgO) powder substrate impregnated by different catalyst materials such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and vanadium (V), respectively. In this study, CNT syntheses were performed under different conditions. Catalysts were prepared with catalyst to MgO ratios of 1:100, 5:100 and 10:100. The duration of syntheses were selected as 30 and 60 minutes. The syntheses temperature was selected to be 500 and 800 °C for definite weight ratios of catalysts depending on the results of the conducted experiments. In order to evaluate interaction between metal catalysts during CNT synthesis binary catalysts of Fe and Co couple is examined. The synthesized CNTs were characterized by thermal gravimetric analysis (TGA), transmission electron microscopy (TEM) and Raman spectroscopy. Thus, the carbon efficiencies of synthesized CNTs with different catalysts were determined and compared.