Production of carbon nanotubes usig Fe-FSM-16, Co-FSM-16 and Ni-FSM-16 type mesoporous catalytic materials by chemical vapor deposition

Abstract

Anahtar Kelimeler: Karbon nanotup, kimyasal buhar biriktirme, FSM-16, AsetilenBu calısmada, FSM-16 tipi mezogozenekli malzeme sentezlenmis ve bu malzemeyesonradan ekleme (impregnation) yontemi ile ağırlıkca % 2 ve % 4 Fe, Co ve Niyuklenmistir. Bu katalitik malzemeler, karbon nanotup uretimi icin kimyasal buharbiriktirme reaksiyonunda test edilmislerdir. Sentezlenen malzemeler XRD, 29Si-NMR,N2 fiziksel adsorplanmasi ve SEM-EDS ile karakterize edilmistir. Metal derisiminin,mezogozenek duzeni uzerine etkisi incelenmistir. XRD sonucları; Fe, Co ve Ni ilemodifiye edilmis FSM-16'nın mezogozenekli yapıya sahip olduğunu gostermistir.Ancak; XRD ve 29Si-NMR sonucları; metal konsantrasyonu artıkca, hekzagonalmezogozenekli yapının kısmen kaybolduğunu kanıtlamaktadır. BET sonuclarına goze,sonradan metal eklenmesi nedeniyle yuzey alanı, gozenek hacmi ve gozek caplarındaazalma olmustur. Bu, silika matrisindeki bozulmasın bir gostergesidir. SEM sonuclarıFSM-16 ile Fe, Co, ve Ni modifye edilmis FSM-16 arasındaki morfolojik farklılıklarısergilemektedir. Karbon nanotup buyumesini, metal konsantrasyonu, reaksiyon sıcaklığıve asetilen akıs hızı gibi deneysel parametrelerin nasıl etkilediği; Fe-FSM-16, Co-FSM-16 ve Ni-FSM-16 kullanılarak incelenmistir. Sentezlenen karbon nanotupler, SEM,Raman Spektroskopisi ve TGA ile karakterize edildi. Metal konsantrasyonun (ağırlıkca% 2 ve % 4) ve reaksiyon sıcaklığının (500oC-800oC), karbon nanotup olusumu icinonemli olduğu belirlenmistir. Bu katalizorlerin kullanıldığı deneylerde 500oC de karbonnanotup olusumu gozlenmezken, 700oC de yuksek miktarlarda karbon nanotup eldeedilmistir. Sentezlenen karbon nanotuplerin caplarının reaksiyon sıcaklığının artmasıyonunde buyuduğu gozlenmistir. Ni-FSM-16 ve Co-FSM-16, Fe-FSM-16'ya gorekarbon nanotup olusumuna daha dusuk reaktivite gostermistir. Katalizorler arasında enyuksek miktarda karbon nanotup uretiminin % 4 Fe-FSM-16 kullanıldığı deneylerdeolduğu gozlenmistir. % 4 Fe-FSM-16 uzerinde buyuyen karbon nanotuplerin caplarınaasetilen akıs hızının etkisi incelenmis, asetilen akıs hızının, sentezlenen karbonnanotuplerin capları uzerinende onemli bir etkisi olmadığı gozlenmistir. Elde edilenkarbon nanotuplerin caplarının 20-35 nm olduğu saptanmıstır. Raman spektroskopisibulguları, RBM bolgesinde tek duvarlı nanotuplerin hicbir karakteristik ozelliğinigostermediğinden, sentezlenen urunlerin cok duvarlı karbon nanotup olduğunugostermistir.Yuksek verimlilikte karbon nanotup uretiminin optimum deney parametreleri olarakreaksiyon suresinin 30 dakika, sıcaklığın 700oC, asetilen akıs hızının 80 mL/dak vekatalizorun % 4 Fe-FSM-16 olduğu saptanmıstır.

Keywords: Carbon nanotubes, Chemical vapour deposition, FSM-16, AcetyleneFSM-16 was synthesized and loaded with 2 and 4 wt % Fe, Co, and Ni by impregnationmethod. These catalytic materials were tested in the production of carbon nanotubesusing the CVD method. The synthesized materials were characterized by XRD, 29Si-NMR, N2 physisorption, and SEM-EDS. The effect of metal concentration on structuralcharacteristics of the mesoporous material was studied. XRD results demonstrated thatFe, Co and Ni modified FSM-16 had hexagonal mesoporous structure. However, bothXRD and 29Si-NMR characterization proved, as the metal concentration increased,hexagonal mesoporous structure was partially lost. According to BET results, thesurface area, pore volume and pore diameter decreased due to metal impregnation. Thiswas an indication of deterioration of silica matrix. SEM results exhibited themorphological differences between FSM-16 and Fe, Co, and Ni modified FSM-16.Effect of experimental parameters such as metal concentration, reaction temperature andacetylene flow rate for CNTs growth were investigated by using Fe-FSM-16, Co-FSM-16, and Ni-FSM-16. Synthesized CNTs were characterized by SEM, Ramanspectroscopy and TGA. It was found that metal concentration (2-4 wt %), and reactiontemparature (500-800oC) were critical for CNTs formation. While each catalystexhibited high production of CNTs at 700oC; and, they were inactive at 500oC. Thediameter of CNTs changed with synthesis temperature, in particular the diameter of theCNTs increased with the reaction temperature. Ni-FSM-16 and Co-FSM-16 showedsomewhat lower reactivity in formation CNTs with respect to Fe-FSM-16. Among thecatalysts, 4 wt % Fe-FSM-16 improved the formation of CNTs. The effect of acetyleneflow rate for CNTs diameters which grown on the 4 wt % Fe-FSM-16 was studied. Itwas observed that acetylene flow rate did not affect on the diameter of the synthesizedCNTs significantly. Diameters of CNTs were almost the same, observed to be in therange of 20-35 nm. Raman measurement indicated that the synthesized productswere MWCNTs since no SWCNTs characteristic features appeared in the RBMregion.The characterization results demonstrated that CNTs formation with high efficiencywas performed by using 4 wt % Fe-FSM-16 with 80 mL/min acetylene flow rate at700oC for 30 min.