آخرین مطالب
امکانات وب
کربن آمورف اشاره به شبکه بسیار نا منظم اتمهای کربن دارد که به طور قابل توجهی دارای پیوندهای sp2 و 10% پیوندهای sp3 هستند. تقریبا هیچ پیوند sp در این ساختار وجود ندارد [1]. اگرچه کربن آمورف در محدوده ی وسیع نظمی ندارد ولی برخی نظم‌ها در محدوده ی کوچک دیده می شود.
از آنجاکه ماهیت این نظم‌های کوچک بطور معین با توجه به روش تهیه تغییر می کند، خصوصیات فیلم‌های کربن آمورف وابسته به روشهای تهیه آنها می باشد [1].
دو پارامتر پیوند کربنی (نسبت پیوندهای SP2/SP3 ) و میزان هیدروژن، برای شناسایی نظم‌هادر محدوده ی کوچک که ممکن است در مقیاس Å ١٠وجود داشته باشد، پارامتر های بسیار مهمی هستند[1].
2-1- کربن شیشه ای (Glassy Carbon)
کربن شیشه ای یک نوع کربن دیگر است که به طور تجاری با تخریب کنترل شده پلیمر های مشخص در دماهای 900-1000 درجه سانتیگراد تهیه می شود [1،2]. بنابرین نام کربن شیشه ای به یک خانواده از مواد کربنی بی نظم که شبیه شیشه هستند گفته می شود که به راحتی قابل پرداخت هستند و ظاهری سیاه و براق دارند. به دلیل اینکه این دسته از کربن ها در شرایط مختلفی تهیه می شوند، خصوصیات متنوع نیز دارند و خصوصیات آنها به نوع پیش ماده پلیمری و به طور ویژه به شرایط تهیه آنها بستگی دارد. کربن های شیشه ای ساختاره دانه ای دارند، نسبتا سخت هستند، هادی حرارتی هستند، نفوذ ناپذیرند، با ترکیبات زیستی سازگاری دارند و در دماهای بالا پایدارند. چگالی ظاهری کربن شیشه ای صرف نظر از دمای اعمال شده در گستره‌ای بین 1.50-1.46 گرم بر سانتی مترمکعب است که نشان دهنده حضور یک سری حفرات در زمینه آن است. مطابق با یک مدل ارائه شده، میکروساختار کربن شیشه ای از یک سری نوارها یا میکروفیبرهای شبیه گرافیت درهم پیچیده با طول ۱۰۰ و ۳۰ در برش عرضی تشکیل شده است و مشابه ساختار زنجیره پلیمری است که کربن شیشه ای از آن تهیه شده است. به خاطر میکروساختار نواری در هم پیچیده (شکل 1) Jenkins و Kawamura استدلال کردند که کربن شیشه ای حتی در دماهای بالا3000 درجه سانتیگراد به طور کامل گرافیتی نیست [2]. مطالعات پراش پرتوX (X-ray Diffraction, XRD) نشان می دهد که مابین نوارهای گرافیت شکل، اتمهای کربن در یک ساختار لانه زنبوری از لایه های گرافن منظم شده اند. مطالعه ی دقیق و جزئی ساختاری نشان داده است که کربن شیشه ای یک شبکه از ساختار های حفره دار به هم چسبیده دارد. شکل 2 وابستگی دمای هدایت الکتریکی کربن شیشه ای را در دماهای مختلف نشان می دهد. رفتار کلی در بسیاری از کربن های بی نظم دیده می شود [3].
شکل 1- مدل Jenkins-Kawamura کربن شیشه ای. La و Lb طول های ابعاد افقی و عمودی گرافیتی نسبت به محور c گرافیت [1].
شکل 2- وابستگی دمایی هدایت الکتریکی نمونه های کربن شیشه ای گرما دیده در دماهای مختلف [5].
کربن سیاه شکل آمورف کربن است که به صورت تجاری از تجزیه‌ی حرارتی یا اکسایشی هیدروکربن‌ها حاصل می‌شود. از کربن سیاه در صنعت به عنوان ماده ی پرکننده (Filler) برای اصلاح خصوصیات الکتریکی و نوری موادی که در آنها پراکنده شده اند (ماده زمینه)، به طور وسیع استفاده می شود (شکل 3)[1].
انواع, مختلف از کربنهای سیاه صنعتی، با توجه به فرایند ساخت‌شان نامگذاری می شوند. به عنوان مثال کربنهای سیاه حراراتی (Thermal Black) توسط تخریب حرارتی گاز طبیعی، Channel Blacks توسط احتراق جزئی گاز طبیعی و Acetylene Blacks توسط تخریب گرما زای اتیلن، به دست می آیند. انواع دیگر کربن سیاه با روشهای ویژه ای شامل فرساب لیزر گرافیت، پیرولیز استیلن و اتیلن با لیزر CO2 که توسط مقادیر جزئی Fe(CO)5 کاتالیز می شود و روش آماده سازی حرارتی زغال بدست می آیند. با این روشهای سنتزی، انواع مختلف از کربن با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مختلف تولید می شوند[1]. ساختار میکروبلوری چندین نوع از کربن های سیاه (در اندازه های 1000Å و بالاتر) به فرمهای محصول تازه سنتز شده و هم بعد از اعمال حرارت (بالاتر از 3000 درجه سانتیگراد)، توسط تکنیکهای پراش پرتو XRD) X)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرات تفکیک بالا (HRTEM) و پراکندگی رامان، اثبات شده است. مطالعات XRD بر روی کربنهای سیاه نشان می دهد که کربنهای سیاه سنتز شده، از لایه های شبه گرافیت تشکیل شده است که در آن اتمهای کربن، موقعیت‌های نسبتا یکسانی با آنچه در گرافیت مشاهده می شوند، دارند[1].
شکل 3- عکس و تصویر میکروسکوپ نوری از کربن سیاه
کربن های متخلخل یک دسته از ساختارهای کربن ها هستند که تخلخل زیاد دارند. مساحت سطح آنها بالاست و دارای حفراتی با ابعاد نانومتری مشابه با ابعاد فولرن هستند [1]. این دسته شامل کربن های فعال (Activated Carbon)، گرافیت ورقه ورقه شده (Exfoliated Graphite) و ایروژل های کربن (Carbon Aerogels) می باشند. نانوحفرات ممکن است به شکل های قفسه ای یا تونلی باشند. در تهیه کربن فعال Isotropic Pitch.و فنول به عنوان پیش ماده استفاده می شوند. گرافیت ورقه ورقه شده فرم دیگر از کربن دارای مساحت سطح بالاست که با حرارت دادن ترکیب بین لایه ای (Intercalated Compound) تهیه می شود.
کربن ایروژل یک فرم نامنظم از کربن پیوند شده sp2 .با دانسیته بالکی پایین است و به وسیله ی فرآیند فوق سرمایش (Supercooling)تهیه می شود [5،4]. این مواد مثال‌هایی از مواد با چگالی کم و ساختار خوشه مانند هستند که از ذرات کربنی متصل شده به هم با قطر نزدیک به 12nm تشکیل شده اند. بین هر ذره یک نانوساختار مشابه کربن شیشه ای شامل یک شبکه از نوارهای گرافیتی با عرض 2.5nm مشاهده می شود (شکل 4). مساحت سطح این ساختار بین 600 تا 800m2g-1 می باشد.
کربن فعال شده به صورت جامد آمورف دارای ساختاری با مساحت سطح داخلی بالا می باشد که می تواند ملکول‌های مختلف را از فاز مایع یا گاز جذب کند [6] این ترکیب از تعدادی مواد ناخالص شامل چوب، پوست نارگیل، و زغال سنگ تولید می شود. فرایندهای ویژه ای برای تهیه کربنهای فعال به فرمهای پودری، گرانول و کروی تا کنون گسترش یافته است.
1-5-1- روش های تهیه
تولید کربن فعال بر پایه ماده اولیه و کاربرد مد نظر، به دو دسته طبقه بندی می شود: فعال سازی حرارتی و فعال سازی شیمیایی. به طور کلی، فعال سازی حرارتی شامل حرارت دادن و تبدیل کردن کربن به گاز در دماهای بالا می باشد، در حالی که فعال سازی شیمیایی بوسیله ی آبگیری شیمیایی از ماده خام اولیه در دماهای بسیار پایین تر صورت می گیرد.
1-1-5-1- فرایند فعال سازی حرارتی
فعال سازی حرارتی در دو مرحله صورت می گیرد: تخریب حرارتی یا زغالی کردن (carbonization) پیش ماده و تبدیل به گاز کردن یا فعال سازی ماده زغالی شده. در مرحله زغالی شدن، هیدروژن و اکسیژن از پیش ماده خارج می شوند تا ساختار متخلخل اولیه کربنی تشکیل شود. در طول فعال سازی، برای افزایش حجم خلل وفرج و مساحت سطح ذره از طریق حذف محصولات فرار و تخلیه کربن (Carbon burn-off)، اتمسفر اکسید کننده ای مانند بخار آب استفاده می شود.
فعال سازی حرارتی اغلب در کوره هایی با دماهای بالا تر از 1000 درجه سانتیگراد انجام می شود. یک فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده از زغال در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5- فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده
در فرایند فعال سازی شیمیایی، ابتدا پیش ماده با یک عامل فعال شیمیایی که اغلب فسفریک اسید است آماده سازی می شود و سپس تا دمای 700-450 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود. سپس زغال حاصل با آب شسته می شود تا اسید از کربن خارج شود و خشک می شود. شکل 6 نمودار شماتیک فرایند فعال سازی شیمیایی چوب را نشان می دهد.
شکل 6- فرایند فعال سازی شیمیایی برای تولید کربن فعال شده
کربن مایع به فاز مایع از کربن اشاره دارد که نتیجه ی ذوب کربن خالص در فاز جامد (گرافیت، الماس، ...) می باشد[1]. کربن مایع در فشار اتمسفر تنها در دماهای بسیار بالا پایدار است. ( نقطه ذوب گرافیت 4450 درجه کلوین). از آنجا که کربن دارای بالاترین نقطه ذوب نسبت به هر جامد فلزی دیگری است، برای جلوگیری از آلوده شدن مذاب، جنس بوته استفاده شده برای تهیه کربن مذاب نیز باید از کربن باشد.کربن مایع به طور آزمایشگاهی با روش ذوب گرافیت توسط لیزر تهیه شده است. نکته جالب اینکه با وجود تفاوت دماهای ذوب الماس و گرافیت، اعتقاد بر این است که کربن مایع یکسانی از این دو ماده تولید می شود.
منابـــع و مراجــــع
1. Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. P., EKLUND, C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Elsevier Science, (1996).
2. Zabel, H., Solin, S. A. (eds.), Graphite Intercalation Compounds I: Structure and Dynamics, Springer Series in Materials Science, vol.14. Springer-Verlag, Berlin, (1990).
3. Pumera, M.; Ambrosi, A.; Bonanni, A.; Chng, E. L. K.; Poh, H. L., “Graphene for Electrochemical Sensing and Bio Sensing”, Trends in Analytical Chemistry, Vol.29, pp.954–965, (2010).
4. Pekala, R. W., Alviso, C. T., Renschler, C. L., Pouch, J. J., Cox, D. M. (eds.), Novel Forms of Carbon, vol.270, pp.3-14. Materials Research Society, Pittsburgh, PA, (1992).
5. Fung, A.W.P., Wang, Z. H., Lu, K., Dresselhaus, M. S., Pekala, R. W. Journal of Material Research, Vol.8, pp.1875-1885, (1993).
6. Burchell, T. D., Carbon Materials for Advanced Technologies, Elsevier Science (1999).
برچسب : نویسنده : 3mrkhalili1348d بازدید : 102