Why Nanocomposites? Size does matter. Increased surface area on Nanoparticles. Δημήτριος Τάσης

Transcript

1 ΧΗΜΕΙΑ ΥΛΙΚΩΝ

2 Why Nanocomposites? Size does matter Increased surface area on nanoparticles Microparticles Nanoparticles

3 I. Γενικά για γραφιτικά αλλότροπα Φυσικά αλλότροπα άνθρακα Διαμάντι : Τρισδιάστατο δίκτυο ατόμων άνθρακα με υβριδισμό sp3, διαμόρφωση εξαγωνικού ανάκλιντρου (face-centered cubic lattice) Γραφίτης : Δισδιάστατο δίκτυο ατόμων άνθρακα με υβριδισμό sp2, αποτελούμενο από επίπεδους εξαγωνικούς δακτύλιους (hexagonal lattice)

4 I. Γενικά για γραφιτικά αλλότροπα Graphene: Two-dimensional network of carbon atoms having sp 2 hybridization, consisting of hexagonal rings Fullerene C 60 Carbon nanotubes (CNTs) Closed cage structure 12 pentagons and 20 hexagons Partial sp3 character to sp2 carbon atoms Graphene sheets rolled in cylinder shape, with lengths in the μm range and diameters of about 0.7 to 100 nm, approximately.

5 Τεχνητά αλλότροπα άνθρακα : Εικασίες για την ύπαρξη σφαιρικών κυψελών άνθρακα με 60 άτομα άνθρακα και θεωρητικές μελέτες για ενεργειακή σταθερότητα (sawa) 1976 : Παραγωγή ινών άνθρακα από πυρόλυση βενζολίου (berlin) 1985 : Ανίχνευση μίγματος δομών με 60 και 70 άτομα άνθρακα κυρίως, ύστερα από εξάχνωση γραφίτη με laser. Προτείνεται η εικοσαεδρική σφαιρική δομή στο παράγωγο C60, το οποίο βαφτίζεται μπακμινστερφουλερένιο (Smalley, Kroto, Curl) 1990 : Παραγωγή C60 σε μεγάλες ποσότητες για χαρακτηρισμό, με επίδραση βολταϊκού τόξου σε ράβδους γραφίτη (Kratchmer)

6 R 1 NHCH 2 CH + R 2 CH heat - C 2 - H 2 H 2 C R 1 N CHR 2 R 1 N R 2 R 1 NHCH 2 CH + R 2 CH toluene C 60

7 N H N Boc TFA / CH 2 Cl 2 N NH 3 CF 3 C CH 2 CHCCl / NEt 3 / CH 2 Cl 2 N H N

8 Εκτεταμένοι σωλήνες τυλιγμένων φύλλων γραφενίου 2 τύποι νανοσωλήνων άνθρακα: A) Οι μονοστρωματικοί (Single Walled Carbon Nanotubes - SWCNTs) B) Οι πολυ-στρωματικοί (Multi Walled Carbon Nanotubes - MWCNTS) Ανάλογα με τον τύπο, έχουν διάμετρο από 1 έως 100 nm, μήκος από μερικά μικρόμετρα ως και μερικά εκατοστά sp 2 υβριδισμός Παρατηρήθηκαν το 1991 από τον S. Iijima

9 Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ουσιαστικά φύλα γραφίτη σε μορφή κυλίνδρου, με μήκη της τάξης των μm και διάμετρο από 0.4 έως 100 nm περίπου Unique electronic, mechanical and structural properties Ideal candidates for incorporation into new families of composite materials but Difficult to handle

10 Το 1952 στη Ρωσία ο LV Radushkevich και οι συνεργάτες του ανάφεραν για την ύπαρξη νανοσωλήνων (πρόκειται για MWCNTs, d 50 nm). Ο Endo το 1976 παρουσίασε ΤΕΜ δομών με διάμετρο 5 nm που προήλθαν μέσω πυρόλυσης βενζολίου (CVD) Από to 1983 η εταιρία Hyperion Catalysis (Βοστόνη) παρήγαγε ινία άνθρακα με CVD. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται ευρύτατα στις μέρες μας για τη παραγωγή CNTs. Τα εν λόγω ινίδια ήταν πραγματικά CNTs με μικρό αριθμό τοιχωμάτων τα οποία δεν ήταν ευθύγραμμα αλλά κάμπτονταν και περιείχαν ατέλειες. Η διάμετρός τους κυμαίνεται μεταξύ nm (Πατέντα το 1987). To 1991 o Iijima εξέτασε με HRTEM τη αιθάλη που προέκυπτε από την επαναστατική μέθοδο των Krätschmer-Huffman για την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων C 60. Παρατήρησε δομές αποτελούμενες από γραφιτικά φύλλα που τυλίγονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίσουν κύλινδρο (MWCNTs). To 1993 σχεδόν ταυτόχρονη δημοσιοποίηση της παρασκευής SWVNTs από Iijima et al. (Nature 363, 603 (1993)) και Bethune et al. (Nature 363, 605 (1993)) : Παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα διπλού τοίχου (Bandow)

11 1991 : Παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλού τοίχου (Iijima) : Παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοίχου με διάφορες μεθόδους. (Iijima, Bethune, Smalley) 2001 : Παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα διπλού τοίχου (Bandow) Nανοσωλήνες άνθρακα - παραγωγή Επίδραση βολταϊκού τόξου (arc discharge) Αποκόμιση γραφίτη με μονοχρωματική ακτινοβολία (laser ablation) Χημική εναπόθεση ατμού (chemical vapor deposition)

12 Γ. Χημική εναπόθεση ατμού (CVD) Με αυτή την μέθοδο, σχηματίζονται νανοσωλήνες άνθρακα λόγω της αποσύνθεσης μορίων που περιέχουν άνθρακα στην αέρια μορφή (HipC) Πλεονεκτήματα Συνεχής παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων Υψηλότερη καθαρότητα υλικού

13 Πιθανοί μηχανισμοί ανάπτυξης νανοσωλήνων CVD

14 Α. Επίδραση βολταϊκού τόξου σε ράβδους γραφίτη Με τη μέθοδο βολταϊκού τόξου παράγονται μεγάλες ποσότητες μη καθαρού υλικού Οι συνήθεις ακαθαρσίες είναι φουλερένια, άμορφος άνθρακας, καταλύτης κάθοδος άνοδος γραμμική κίνηση σύνδεση ηλεκτροδίων ανάπτυξη νανοσωλήνων σύνδεση ηλεκτροδίων A 20 V

15 Β. Αποκόμιση γραφίτη με ακτινοβόληση (laser ablation) kw/cm 2 ακτίνα laser ανάπτυξη νανοσωλήνων συλλογή υλικού C φούρνος αέριο αργό ράβδος γραφίτη Δεν είναι βιομηχανική μέθοδος παραγωγής, λόγω της παραγωγής μικρών ποσοτήτων

16 Καθαρισμός αρχικού υλικού Μετά την παραγωγή τους, οι νανοσωλήνες άνθρακα περιέχουν ακαθαρσίες όπως άμορφου τύπου γραφιτικά σωματίδια και μικροποσότητες μεταλλικού καταλύτη. Αυτά απομακρύνονται με διάφορες μεθόδους, όπως : Α. Οξειδωτική/θερμική κατεργασία Β. Χρήση μακρομορίων που τυλίγουν επιλεκτικά τους νανοσωλήνες άνθρακα πχ πολυσακχαρίτες, συζυγιακά πολυμερή, βιομόρια. Γ. Μικροφιλτράρισμα : Χωρίζει το υλικό κατά μεγέθη. Με την επίδραση πίεσης, οι ακαθαρσίες περνάνε από την ειδική μεμβράνη και οι νανοσωλήνες μένουν. Δ. Επίδραση μικροκυμάτων Ε. Μηχανικός καθαρισμός με ελαστικές συγκρούσεις παρουσία υπερήχων

17 Δομή νανοσωλήνων άνθρακα Η ατομική δομή των νανοσωλήνων εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο τυλίγεται ένα γραφιτικό φύλο σε σχήμα κυλίνδρου Οι δύο ακραίες περιπτώσεις είναι οι δομές armchair και zig-zag Η χειρικότητα του σωλήνα αντανακλά στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού

18 Δομή νανοσωλήνων άνθρακα a 1, a 2 τα διανύσματα βάσης της στοιχειώδους κυψελίδας του γραφίτη Χειραλικό διάνυσμα C h : C h a c-c =0.142nm a 1 =a 2 =0.246nm n a1 m a2 (n,m) Η διάμετρος d t των νανοσωλήνων θα είναι: d t C h π Χειραλική γωνία θ zigzag θ=0 armchair θ=π/6 chiral 0<θ<π/6

19 Τύλιγμα (10,0) SWCNT (Zigzag) (0,0) C h = (10,0) a 2 a 1 y x

20 Τύλιγμα (10,0) SWCNT (Zigzag) (0,0) C h = (10,0) a 1 y a 2 x

21 Τύλιγμα (10,10) SWCNT (Armchair) (0,0) a 2 a 1 y x C h = (10,10)

22 Τύλιγμα (10,10) SWCNT (Armchair) (0,0) a 2 a 1 y x C h = (10,10)

23 Τύλιγμα (10,5) SWCNT (Χειραλικός) (0,0) C h = (10,5) a 2 a 1 y x

24 Τύλιγμα (10,5) SWCNT (Χειραλικός) (0,0) C h = (10,5) a 2 a 1 y x

25 Τείνουν να δημιουργούν συσσωματώματα, λόγω δυνάμεων van der Waals, οπότε είναι πρακτικά αδιάλυτοι σε κοινούς διαλύτες

26 Ιδιότητες των CNTs Χαμηλή πυκνότητα μάζας ( 1.3 g/cm 3 ). Μεγάλη τιμή του aspect ratio l/d (>1000). Διάμετρος nm. Δομικά τέλειοι. Μεγάλη ειδική επιφάνεια (>100 m 2 /g) Χημική δραστικότητα ανάλογα με διάμετρο. Σταθεροί στην ακτινοβολία Τ Μ 4000 Κ. Θερμικά σταθεροί μέχρι 2800 C σε κενό και στους C στον αέρα. Εμφανίζουν ημιαγώγιμο ή μεταλλικό χαρακτήρα ανάλογα με την διάμετρο και τον προσανατολισμό των εξαγώνων της δομής τους. Υψηλή Θερμική αγωγιμότητα (>x2 διαμάντι) Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (10 4 S/cm) Οι μεταλλικοί εμφανίζουν βαλλιστική διάδοση των ηλεκτρονίων (ρεύματα 10 9 Α/cm 2 ). Εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες (σ>35 GPa, E 1TPa) Τεράστια ποικιλία στις τιμές των ιδιοτήτων των CNTs ανάλογα με: i) τον τύπο, ii) τον τρόπο παρασκευής iii) αν είναι μεμονωμένοι ή σε μορφή δεσμίδων

27 ΧΗΜΕΙΑ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ I. Noncovalent exohedral functionalization II. Functionalization of oxidized nanotubes III. Covalent sidewall functionalization Το πρόβλημα της διασποράς νανοσωλήνων σε ένα μέσο μπορεί να αντιμετωπιστεί με πολλές προσεγγίσεις : Χρήση κατάλληλων διαλυτών ή τασενεργών ενώσεων (surfactants) Ομοιοπολικού τύπου χημική τροποποίηση του γραφιτικού δικτύου Οξείδωση παραγοντοποίηση καρβοξυλικής ομάδας Μη ομοιοπολική τροποποίηση

28 Χρήση κατάλληλων διαλυτών ή τασενεργών ενώσεων NH 3 Cl NH 3 Cl NH 3 Cl Cl H 3 N NH 3 Cl NH 3 Cl H H H H

29

30 N N N SWNT N

31 Οξείδωση παραγοντοποίηση καρβοξυλικής ομάδας CH CH SCl 2 CH CH CH activating agent e.g. diimide RNH 2 or RH CCl CNHR (-CR) CCl RNH 2 CNHR (-CR) CCl CCl CCl or RH CNHR (-CR) CNHR (-CR) CNHR (-CR)

32 Covalent activity Ideal graphene is chemically inert Graphene has a much lower chemical reactivity than fullerenes and CNTs Reactive species such as radicals are usually needed as reacting species Η χημική δραστικότητα σε κυρτές γραφιτικές νανοδομές οφείλεται σε δύο λόγους: α) πυραμιδοποίηση των ατόμων άνθρακα και β) Μειωμένη αλληλεπικάλυψη των π-τροχιακών σε γειτονικά άτομα άνθρακα

33 Αντίδραση Bingel EtC CEt EtC CEt SWNTs or MWNTs Br DBU

34 Διαζωνιακά άλατα R R R N 2 SWNTs R = halogen, t-bu, N 2, CMe, n-c 14 H 29, Me(CH 2 CH 2 ) 3, C C C C R R

35 Αντίδραση με αζίδια H T H T SWNTs or MWNTs N 3 hν N N T H

36 Αντίδραση με υπεροξείδια (CH 2 ) n CH HC(CH 2 ) n C-C(CH 2 ) n CH Δ (CH 2 ) n CH SWNTs - C 2 (CH 2 ) n CH

37 HN HN N N 1 N N NH NH

38 Σύνθεση υδατοδιαλυτών νανοδομών HN HN NH 3 NH 3 N N N N HCl (gas) NH N NH N 1 NH 3 N NH 3 N 2

39 N R CEt N R CEt SWNT or MWNT R-NHCH 2 CEt / HCH DMF, 130 o C N R CEt R N CEt

40 TEM εικόνες SWNTs (αριστερά) and MWNTs (δεξιά)

41 Γενικές εφαρμογές Μηχανική ενίσχυση πολυμερικών μητρών Αύξηση ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε μονωτές μέσω ένθεσης Φωτοβολταϊκά συστήματα Βιο-αισθητήρες Βιο-ιατρική

42 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Modify the surface of carbon nanostructures in order to generate the appropriate chemical anchors for integration into composite materials. Enhance the interfacial interaction with polymer matrices

43 Ομοιοπολικού τύπου χημική τροποποίηση του γραφιτικού δικτύου Με την προσέγγιση αυτή, επέρχεται μερική αποδιοργάνωση του συζυγιακού δικτύου οπότε και οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των νανοσωλήνων μειώνονται και λαμβάνει χώρα διαχωρισμός μεταξύ τους Η τροποποίηση νανοσωλήνων με πολυμερή μπορεί να συμβεί με 2 τρόπους : Α. προσάρτηση στην επιφάνεια (grafting to) και Β. In situ πολυμερισμός (grafting from)

44 i. Προσάρτηση στην επιφάνεια X ii. in situ πολυμερισμός Στάδιο Α : προσάρτηση του εκκινητή στη γραφιτική επιφάνεια Στάδιο Β : διάδοση του πολυμερισμού παρουσία του μονομερούς

45 Προσάρτηση πολυμερικών αλυσίδων SWNTs sec-buli hexane Li Li Bu Bu styrene Li CHCH 2 Ph n CHCH 2 Ph

46 Polymer grafting onto CNTs by in situ redox radical process RCHH PhC-CPh + RCH 2 H Δ RCHH CNTs RCHH RC(H)-polymer Ce IV / Monomer RC(H)-polymer

47 Grafting to approach SWNTs CH 2 CH Ph ν CH 2 CH Ph N 3 o-dcb, heat CH 2 CH Ph CH 2 CH Ph ν N

48 Preparation of CNT preforms Buckypaper Resin functionalized CNTs Suspension Filtration

49 Autoclave processing

50 Παρασκευή σύνθετων υλικών σε μορφή νανοϊνών με την τεχνική electrospinning Όταν ένα υψηλό δυναμικό (5 έως 50 kv) εφαρμόζεται σε μία υγρή σταγόνα, αυτή φορτίζεται. Λόγω ηλεκτροστατικών απωθητικών δυνάμεων, η σταγόνα επιμηκύνεται και σε ένα κρίσιμο σημείο εκτοξεύεται από την επιφάνεια.

51

52 Graphene (nanoscale)

53 Important issues for pristine graphene Insoluble in organic or aqueous media due to van der Waals interactions Surface properties must be altered through chemical modification to obtain stable dispersions in solvents Pretreatment is sometimes required for further functionalization Chemistry may play a vital role towards the band gap engineering Graphene can be functionalized in two different locations (basal plane and edges)

54 Graphene: Production methods

55 Scotch-tape method Geim / Novoselov equation!!!!!! Epitaxial growth on SiC Liquid exfoliation

56 Epitaxial growth When we heat the SiC in a vacuum or in an argon atmosphere, only the silicon atoms leave the surface due to the difference in the vapour pressures of silicon and carbon, and the remaining carbon atoms form epitaxial graphene spontaneously on the surface.

57 Graphene production I. Μηχανική αποφλοίωση (Scotch tape method) -Ενέργεια αλληλεπίδρασης van der Waals energy: 2 ev/nm 2 -Απαιτούμενη δύναμη αποφλοίωσης ~ 300 nn/mm 2 -Επαρκεί η κοινή κολλητική ταινία - Κατάλληλο υπόστρωμα για δημιουργία αντίθεσης (δηλ. Si 2 (300nm)/Si or SU8/PMMA) - Παραγωγή γραφενίου χωρίς ατέλειες με επιφάνεια - μερικές εκατοντάδες μm 2 Si 2 /Si Carefully scan Si 2 surface with optical microscope 57

58

59

60 0 1 Thermal release tape Cu etchant Partly etched Cu sheet Graphene on thermal release tape

61

62

63 xidative unzipping of carbon nanotubes D. Kosynkin et al. Nature 2009 The proposed first step in the process is manganate ester formation as the rate determining step, and further oxidation is possible to afford the diones

64 Αποφλοίωση γραφίτη μέσω παραγωγής του οξειδίου του γραφενίου

65 1. step (preoxidation) H 2 S 4, P 2 5, K 2 S 2 8, ht 2. step (main) H 2 S 4, KMn 4, H 2 2

66 xidation of graphite by KMn 4 /H 2 S 4 system 2 KMn 4 + H 2 S 4 K 2 S 4 + Mn H 2 By-product of oxidation reaction is Mn 2...

67 Water, ethyleneglycol, DMF, NMP, THF most appropriate media Colloidal stability of G suspensions

68 Functionalization at the carboxylic groups of graphene oxide

69 Dispersion of G by ionic interactions

70 G reduction approaches

71 ther reduction/deoxygenation approaches Thermal reduction Rapid heating of G towards expanded graphite This procedure is found only to produce small size and wrinkled graphene sheets Drawbacks Decomposition of oxygen-containing groups also removes carbon atoms from the carbon plane, which results in defect formation on the carbon plane large energy consumption cannot be used for G films on substrates with a low melting-point

72 Sonication-assisted exfoliation of graphite in various liquid systems - neat solvents - polymer solutions - surfactant/water systems - superacids -ionic intercalants Main advantage: Drawbacks: graphitic structure intact extensive sonication times solvent incompatibility with most composite applications difficulty in removing solid residues

73

74

75 Grafting with polymer chains Grafting-from approach

76 Grafting-to approach

77 Non-covalent adsorption of polymers by π-π stacking interactions

78 Solution mixing combined with casting

79 Deposition of inorganic nanoparticles Catalyst supports xidation of graphite flakes towards G production In situ reduction of platinum salt and deposition of metal (Pt) nanoparticles Catalytic activity of graphene/metal hybrid due to enhanced specific area of the graphitic support

80 Transition metal dichalcogenides (TMDCs), whose generalized formula is MX2 (M = Transition metal (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt), X = Chalcogen (S, Se, Te)), have a large family of materials and their electronic characters could be semiconducting, metallic and superconducting

81

82

83

84 An exciton is a bound state of an electron and an electron hole which are attracted to each other by the electrostatic Coulomb force. It is an electrically neutral quasiparticle that exists in insulators, semiconductors and in some liquids. The exciton is regarded as an elementary excitation of condensed matter that can transport energy without transporting net electric charge. An exciton can form when a photon is absorbed by a semiconductor. This excites an electron from the valence band into the conduction band.

85 In turn, this leaves behind a positively charged electron hole (an abstraction for the location from which an electron was moved). The electron in the conduction band is then effectively attracted to this localized hole by the repulsive Coulomb forces from large numbers of electrons surrounding the hole and excited electron. This attraction provides a stabilizing energy balance. Consequently, the exciton has slightly less energy than the unbound electron and hole.

86 In a band diagram, the excitonic levels are found below the conduction band at Eg Eex, where Eg is the material's band gap and Eex the binding energy between electron and hole. Excitons may appear in any material exhibiting a band gap: semiconductors, insulators, and (organic) molecular crystals.

87 Four characteristic absorption bands excitonic A and B bands at 670 and 610 nm, respectively, and direct transitions from the valence band to the conduction band, C and D at 450 and 400 nm, respectively are observed.