Применение углеродных нанотрубок в энергетике

Применение углеродных нанотрубок в энергетике

Казанский Государственный Технологический Университет

Кафедра технологии электрохимических производств

Реферат

по предмету: Химические методы формирования наноструктур

на тему: Применение углеродных нанотрубок в энергетике

Казань 2009

План

Введение

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

1.2 Классификация нанотрубок

1.3 История открытия

1.4 Структурные свойства

1.5 Возможные применения нанотрубок

1.6 Получение углеродных нанотрубок

2. Электронные свойства нанотрубок

2.2 Электронные свойства графитовой плоскости

2.3 Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

2.4 Ток в нанотрубках

2.5 Сверхпроводимость нанотрубок

2.6 Преобразователи энергии

3. Применение нанотрубок в энергетике

3.1 Использование наноматериалов в атомной энергетике

3.2 Нанотрубки в водородной энергетике

3.3 Солнечная энергетика и нанотехнологии

3.4 Нанотехнологии в электротехнике

3.5 Нанотехнологии в светодиодном освещении

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Энергетика - это одна из наиболее важных отраслей промышленности, развитие которой практически сразу отражается на качестве жизни людей. От того, над чем работают сегодня ученые, какие идеи они считают перспективными, какие проекты востребованы коммерческим сектором, во многом зависит состояние энергетики нашей страны и мира в будущем. В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически всё, что угодно – солнечный свет, ветер, океанские течения, энергия вакуума и т.д. Устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды, могут иметь массу полезных применений.

В своем реферате я хотела бы рассмотреть наиболее успешные и перспективные разработки, которые уже реализуются на практике или будут востребованы в ближайшие годы. Здесь речь пойдет о наноматериалах, разрабатываемых для атомной энергетики, светодиодного освещения, электротехники, сверхпроводимости, водородной и солнечной энергетики.

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

Протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

1.2 Классификация нанотрубок

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки.

По значению параметров (n, m) различают

·          прямые (ахиральные) нанотрубки

·          «кресло» или «зубчатые» n=m

·          зигзагообразные m=0 или n=0

·          спиральные (хиральные) нанотрубки

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m), делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

1.3 История открытия

Говоря об углеродных нанотрубках, нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [3], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. [4] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [5] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича [6] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода.

В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита.

В работе Л. А. Чернозатонского и др. [7], вышедшая в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости [8].

1.4 Структурные свойства

Нанотрубки обладают упругими свойствами. Имеют дефекты при превышении критической нагрузки. В большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки – с образованием пентагона или септогона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга – это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб. [9]

1.5 Возможные применения нанотрубок

·          механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы

·          применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы

·          для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках

·          капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки

·          оптические применения: дисплеи, светодиоды

·          медицина (в стадии активной разработки)

·          одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

·          трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.[10]

·          листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.[10]

1.6 Получение углеродных нанотрубок

В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1:4 при температуре 750°C в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки - дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов США.

Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру – технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметров.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части спирта на 1 часть воды.

Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена – это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок, – для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.[11]

2. Электронные свойства нанотрубок

2.1 Электронные свойства графитовой плоскости

·          обратная решётка, первая зона Бриллюэна

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.

·          спектр в приближении сильной связи

·          спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0, часть E(k)<0 получается отражением в плоскости kx, ky.

·          дираковские точки

Графит — полуметалл, что видно невооружённым глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т.о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.

Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы, подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.

·          SU(4) симметрия

2.2 Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

Эксито́н (лат. excito — «возбуждаю»)— водородоподобная квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Хотя экситон состоит из электрона и дырки, его следует считать самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дырки имеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них. Экситон можно считать элементарной квазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить. [14]

Биэкситон— связаное состояние двух экситонов. Представляет собой, фактически, экситонную молекулу.

Впервые идея о возможности образования экситонной молекулы и некоторые её свойства были описаны независимо С. А. Москаленко и М. А. Лампертом.

Образование биэкситона проявляется в оптических спектрах поглощения в виде дискретных полос, сходящихся в коротковолновую сторону по водородоподобному закону. Из такого строения спектров следует, что возможно образование не только основного, но и возбуждённых состояний биэкситонов.

Стабильность биэкситона должна зависеть от энергии связи самого экситона, отношения эффективных масс электронов и дырок и их анизотропии.

Энергия образования биэкситона меньше удвоенной энергии экситона на величину энергии связи биэкситона. [15]

2.3 Ток в нанотрубках

Ученые из университета штата Иллинойс доказали, что углеродные нанотрубки пропускают большое количество электрического тока.

По сообщению журнала «NanoWeek», продемонстрировать это помогло подведение полупроводниковых углеродных нанотрубок к лавинообразному процессу, в котором свободные электроны образуются в значительном количестве.

До этого было известно, что одностенные углеродные нанотрубки могут пропускать токи плотностью до 100 раз выше, чем лучшие металлы-проводники (например, медь). Однако исследования, проводимые под руководством профессора Эрика Попа, показали, что полупроводниковые нанотрубки могут пропускать ток вдвое более высокой плотности.

В работе, результаты которой опубликованы в одном из научных изданий, авторы определили, что в напряженных электрических полях высокоэнергетические электроны и дырки могут создавать дополнительные электрон-дырочные пары, что приводит к лавинообразному процессу роста потока свободных носителей. При этом ток быстро нарастает до тех пор, пока нанотрубка не разрушается.

По мнению профессора Попа, крутое нарастание тока определяется всплеском лавинообразной ионизации – явлением, встречающимся в определенных видах полупроводниковых диодов и транзисторов в напряженных электрических полях, однако в нанотрубках до этого не наблюдавшимся.

Для исследования эффектов, связанных с протеканием тока, ученые вырастили одностенные полупроводниковые нанотрубки, используя метод химического напыления испарением. Для измерений использовали палладиевые электрические контакты. Эксперименты проводили в бескислородной среде.

Было обнаружено, что при увеличении напряженности электрического поля нарастание величины тока, проходящего через нанотрубки, в районе 25 микроампер замедляется, а затем резко возрастает с увеличением поля. Ученые довели ток через нанотрубки до значений порядка 40 микроампер, что вдвое превышает известные результаты.

«Лавинный процесс, который не наблюдается в металлических углеродных нанотрубках, дает новые возможности трубкам с полупроводниковыми свойствами, – сообщает Эрик Поп. – Результаты экспериментов говорят о том, что на основе полупроводниковых одностенных нанотрубок могут быть созданы устройства с высоконелинейными характеристиками включения». [16]

2.4 Сверхпроводимость нанотрубок

Физики из Японии доказали, что многостенные углеродные трубки с «полностью соединёнными концами» могут быть сверхпроводящими даже при температурах не ниже 12 К, что в 30 раз превышает температуру, необходимую для одностенных углеродных трубок. Открытие было сделано группой учёных под руководством г-на Юньджи Харуяма (Junji Haruyama) из университета Aoyama Gakuin University в г. Канагава (Kanagawa). Сверхпроводящие нанотрубки можно было бы использовать для изучения фундаментальных одномерных квантовых эффектов, а также они могли бы найти практическое применение в молекулярных квантовых вычислениях.

Сверхпроводимость – это полное отсутствие электрического сопротивления, которое наблюдается в определённых материалах при их охлаждении до температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Tc). Физики утверждают, что сверхпроводимость вызвана тем, что электроны преодолевают взаимное кулоновское отталкивание и образуют «пары Купера». Согласно теории низкотемпературной сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (Bardeen-Cooper-Schrieffer - BCS), электроны удерживаются вместе благодаря взаимодействию с фононами – колебаниями кристаллической решётки в материале.

Однако одномерные проводники, такие как углеродные трубки (свёрнутые листы графита диаметром всего несколько нанометров), обычно не являются сверхпроводящими. Одна из причин этого – наличие так называемых жидких состояний Томонага-Луттингера (Tomonaga-Luttinger liquid - TLL) в материале, которые вызывают отталкивание электронов друг от друга и таким образом приводят к разрушению пар Купера.

Г-н Харуяма и его коллеги создали систему, в которой имеется сверхпроводящая фаза, которая конкурирует с фазой TLL и даже превосходит её – что, до сих пор считалось невозможным. Система состоит из множества многостенных углеродных нанотрубок, каждая из которых состоит из серии концентрических нанотрубчатых оболочек. Выполненные из металла электрические контакты присоединены к трубкам таким образом, что они касаются верхней части всех оболочек. Обычные же соединения (контакты) касаются только самой верхней оболочки трубки и вдоль всей её длины. Японские учёные создали нанотрубки, в которых почти все оболочки электрически активны. Они открыли, что нанотрубки с соединёнными концами теряют сопротивление при температуре ниже 12 К. Это происходит потому, что состояния TLL подавляются настолько, что может возникнуть состояние сверхпроводимости. Кроме того, температура Tc зависит от количества электрически активных оболочек, и теперь физики пытаются увеличить их число, сделав большее количество или все оболочки активными. [17]

2.5 Преобразователи энергии

Механические преобразователи на основе нанопроводов могут получать энергию за счет вибрации, возникающей при ходьбе, сердцебиении, течении жидкостей или газов. Исследователи Georgia Institute of Technology предложили простой и недорогой способ генерации электрического тока при помощи пьезоэлектрических нанопроводов из оксида цинка, выращенных на текстильных волокнах. Одежда из такого материала будет вырабатывать электричество за счет трения, возникающего при ее эксплуатации.

Изображения чудо-волокон представлены на рисунке 5. Кевларовая сердцевина была покрыта нанопроводами ZnO в процессе гидротермального синтеза. В качестве связующего компонента использовался ТЭОС. Диаметр проводов составил 50-200 нм, длина – до 3.5 мкм. Нанопровода растут из пленки ZnO, которая выступает в роли общего электрода. Волокно оказалось очень гибким и прочным – при сворачивании его в петлю диаметром 1 мм не было замечено никаких повреждений.

Для получения электричества была разработана следующая схема (рис. 6). Два волокна были скручены в спираль, причем одно из них было покрыто слоем золота. Оно выступало в роли катода наногенератора. При трении волокон между концами цепи возникала разность потенциалов 1-3 мВ. Сила тока в цепи лимитируется сопротивлением волокон. Путем снижения сопротивления удалось добиться силы тока 4 нА. Объединение волокон в нити, из которых потом можно изготовить ткань, должно привести к увеличению производительности устройства. Ожидается, что таким образом будет достигнута мощность 20-80 мВт на квадратный метр такой ткани. [18]

3. Применение нанотрубок в энергетике

3.1 Использование наноматериалов в атомной энергетике

Страницы: 1, 2