TEMA:Studiul particularităților de obținere a clusterilor de carbon

Universitatea de Stat din Moldova

Cordonator stiințific:Dr. conf. universitarLozovanu Petru

Au efectuat studenții:Popa TudorSecrieru Vadim

Facultatea de fizicăCatedra: Meteorologie ,Metrologie si Fizică experimentală

Chișinau 2012

Scopul lucrării:Studiul condițiilor de obținere a clusterilor de carbon de ordin inferior.

Actualitatea temeiOdată cu descoperirea formei a 4-a alotropice a carbonului, intensiv se studiază posibilitatea de utilizare a formelor alotropice a carbonului în diferite domenii: medicină, nanotehnologii, tehnică și construcții.

Carbonul

Informații generaleNume, Simbol, Număr Carbon, C, 6

Serie chimică nemetale

Grupă, Perioadă, Bloc IV, 2, p

Densitate 2267 kg/m³

Culoare negru

Număr CAS 7440-44-0

Dintre toate elementele din tabelul periodic, carbonul este cel mai remarcabil și este uneori numit baza vieții pe Pamînt.În tabelul periodic carbonul este situat în perioada a 2-a, grupa a 4-a. El poate forma o varietate de legături covalente cu alte elemente-pînă la patru legături simple, una sau două legături duble, sau o legătura triplă.De exemplu, carbonul formează cu ușurință legături cu hidrogenul, oxigenul, azotul, sulful și fosforul, precum și alte elemente cunoscute sub numele de halogeni, cum sunt clorul, bromul, fluorul. Însă propriețile sale unice sunt datorate capacitații sale de a forma legături cu o catenă aproape nelimitată de alți atomi de carbon.

Formele alotropice ale carbonului Diamantul este un mineral nativ și în

același timp o piatră prețioasă. Din punct de vedere chimic este una din formele de existență ale carbonului pur. Diamantele s-au născut în straturile mai adînci ale scoarței terestre.

Grafitul este un mineral răspîndit în natură ce face parte din categoria nemetalelor, fiind după diamant un element stabil .

Grafenul este varianta bidimensională a grafitului; este format dintr-un aranjament planar (bidimensional) de atomi de carbon dispuși într-o rețea hexagonală. Grafenul este cel mai bun conductor de electricitate și căldură cunoscut.Grafenul este elementul structural de bază al altor alotropi ai carbonului incluzînd grafitul, nanotuburile de carbon și fulerenele.

Fulerenele sau "C60" reprezintă o clasă de compuși de atomi de carbon, care prezintă ansamblul structurii fie forme sferice de tip dom geodezic (C60) o alta varietate sunt nanotuburile. Această clasă de substanțe este considerată, alături de carbonul amorf, grafitul și diamantul o formă alotropică distinctă a carbonului. Principalul reprezentant al clasei este fulerena C60, care are 60 de atomi de carbon aranjați într-o structură icosaedrică ( icosaedrul este un poliedru format din 12 fețe pentagonale și 20 de fețe hexagonale.

Nanotub având o structură de fulerenă aflat într-o rotație simulată înfățișând structura sa tridimensională.

Structura formelor alotropice ale carbonului

a) diamant), b), grafit; c) lonsdaleite (diamante hexagonale); d-f) fulerene (C60, C540, C70), g) carbon amorf; h) nanotub de carbon

Clusterii de carbonOdată cu descoperirea moleculelor de carbon C60 una din problemele principale a devenit tehnologia de preparare a clusterilor de carbon, care şi pînă în prezent este actuală. Sunt cunoscute mai multe metode în care la descompunerea diferitor substanţe apar clasteri de carbon. În cele mai multe cazuri sinteza se realizează prin vaporizarea electrozilor de grafit încălziţi cu curent de intensitate mare la tensiuni mici şi presiuni joase în gaz inert .În lucrare clasterii de carbon au fost obţinuţi prin metoda de descompunere în arc voltaic a electrozilor de grafit spectral pur în atmosferă de heliu. Pentru determinarea condiţiilor tehnologice a fost folosită instalaţia schema căreia este prezentată în fig.1.

Fig.1. Schema instalaţiei pentru sinteza fullerenilor1 – capac al incintei de lucru; 2 – garnitură; 3 – dispozitiv mecanic de dirijare a electrodului de

grafit; 4 – garnitură; 5 – bară cu filet; 6 – redresor; 7 – transformator de coborâre; 8 – dispozitiv de fixare a electrodului de grafit; 9 – directoare; 10,11 – electrozi de grafit; 12- colector de fullereni; 13 –

lichid de răcire; 14 – manometru; 15 – robinete; 16 - instalaţie de vid; 17 –termocuplu; 18- termoregulator; 19 – pompă de apă;20 – rezervor cu lichid de răcire; 21 – incinta de lucru.

Caracteristicile de bază ale arderii electrozilor de grafit în arc voltaic

Pentru optimizarea condiţiilor de obţinere clasterilor de carbon în arc voltaic şi elaborarea unei noi concepţii în problema preparării a fost studiat mecanismul arderii electrozilor şi influenţa factorilor externi (atmosfera gazului de amortizare, presiunea, intensitatea curentului ş.a.). Parametrii tehnologici principali de care depinde randamentul procesului de preparare a clasterilor de carbon prin metoda descompunerii grafitului în arc voltaic sunt: curentul, distanţa dintre electrozi, natura gazului de amortizare şi presiunea lui, materialul, forma geometrică şi dimensiunile electrozilor, diametrul şi temperatura colectorului de funingine ş.a.

În fig. 2 este prezentată caracteristica curent-tensiune a arcului voltaic la presiunea heliului de 100 Torr pentru distanţele dintre electrozi d=1mm şi d=4 mm. Dependenţa ne demonstrează că indiferent de distanţa dintre electrozi puterea arcului atinge o valoare minimă la curenţi de 90÷150 A, după care se evidenţiază o tendinţă de creştere.

30 60 90 120 150 18015

20

25

30 d=1 mm d=4mm

I, A

U, V

Fig. 2. Caracteristica curent-tensiune a arcului voltaic

30 60 90 120 150 18015

20

25

30 d=1 mm d=4mm

I, A

U, V

Fig. 2. Caracteristica curent-tensiune a arcului voltaic

Micşorarea puterii arcului la curenţi 30÷90 A probabil este condiţionată de mărirea concentraţiei fragmentelor carbonului neionizat în plasmă la creşterea iniţială a curentului, iar la intensităţi mari de curent, după ce se stabilizează compoziţia plasmei în arc, creşterea puterii arcului poate fi explicată prin mărirea gradului de ionizare a fragmentelor din arc datorită emisiei termoelectronice. Odată cu creşterea distanţei d dintre electrozi forma caracteristicii I-U practic nu se schimbă, dar are loc deplasarea ei în direcţia tensiunilor mai mari. Această deplasare U este cauzată de creşterea dimensiunilor arcului voltaic. Intensitatea câmpului electric E este de ˜ 10 V/cm .

În fig.3 este prezentată dependenţa vitezei de ardere a electrodului ma/, mf/ şi mp/ de intensitatea curentului în arcul voltaic de He la presiunea de 100 Torr la distanţa dintre electrozi d = 4 mm, aici prin ma se notează masa de eroziune a anodului, mf – masa funinginii formate şi mp – masa precipitatului depus pe catod. Din dependenţa mărimilor ma/, mf/ şi mp/ se vede că valorile acestor mărimi cresc odată cu creşterea curentului în arc şi mf/ şi mp/ ating valorile maxime la 130 A. Analiza rezultatelor arată ca cantitatea maximă de funingină se obține in limitele pentru curenţi cu intensitatea din intervalul 120-150 A. Influenţa vaporilor de apă şi a gazului remanent în incintă asupra procesului tehnologic a fost micşorată prin prelucrarea termică a reactorului. S-a observat că la încălzirea incintei până la temperatura de 70 C şi la o evacuare a aerului din incintă timp de 30 minute, cantitatea de funingine a crescut cu 2,5–3 % în condiţiile optimale de sinteză.

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

0

2

4

6

8

10

12

anod funingine precipitat

I, A

m/t,

10-

3 g/

s

Fig. 3. Dependenţa vitezei de eroziune a anodului, funinginii şi a precipitatului de curentul în arcul voltaic

Concluzie În rezultatul studiului literaturii a fost evidențiate metodele de

obținere a clusterilor de carbon, pentru cercetare a fost selectată metoda descompunerii grafitului in arc voltaic la presiune joasă a atmosferii din incinta.

Experimental au fost determinate condițiile optimale (curent, presiune și viteză) pentru obținerea clusterilor de carbon de ordin inferior. Aceasta are loc la presiune de 120 Torr , curentul 110 A , la distanța dintre electrozi de 4mm.

Pentru aprecierea calității funinginii a fost utilizată metoda dizolvanților, aceasta a fost realizată prin metoda soluțiilor de toluen. În cazul în care se formează clusterii de fulereni de ordin superior ( C60, C70 și altele) ele se dezolvă in toluen și se formează o soluție cafenie.

Vă mulțumim !!!