Otrzymywanie nanostrukturalnych materiałów na drodze syntezy spaleniowej

• Autorzy: Huczko A. , Cudziło S. , Bystrzejewski M. , Lange H. , Szala M.

Warianty tytułu

EN

Self-induced formation of nanostructures by combustion synthesis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki systematycznych badań syntezy spaleniowej w układach zawierających krzem oraz politetrafluoroeten (PTFE), w wyniku której z dużą wydajnością, spontanicznie powstają nanowłókna i nanorurki węglika krzemu SiC. Nanostruktury SiC typu 1-D powstają także, gdy zamiast PTFE używa się innych halogenowęglowodorów. Nanowłókna wykryto również w produktach spalania mieszanin Al₃Mg₄ z PTFE, natomiast produkty spalania kompozycji B/PTFE zawierają nanokrystality węglika boru. Inne interesujące struktury węglowe (węgliki, enkapsulaty i nanocebulki) otrzymywano z dużymi wydajnościami na drodze redukcyjnej karbonizacji heksachloroetanu C₂CI₆ za pomocą azydku sodu w obecności ferrocenu. Skład i mikrostrukturę otrzymywanych produktów badano wykorzystując: dyfraktometrię rentgenowską, spektroskopię Ramana, skaningową i transmisyjną mikroskopię elektronową i spektrometrię rozproszonego promieniowania rentgenowskiego. Potwierdzono, że na drodze syntezy spaleniowej można otrzymywać nanowłókna i nanorurki o średnicy 20-100 nm i długości kilku mikrometrów. Poza strukturami typu 1-D otrzymywano cebulki węglowe, węglowe enkapsulty krystalitów żelaza, nanowłókna węglika glinu Al₄C₃ oraz nanokrystality węglika boru B₄C. Przypuszczamy, że wzrost nanostruktur typu 1-D zachodzi według mechanizmu VLS (vapour-liquid-solid) z udziałem rodnikowych form produktów pośrednich. Zaletą opisanej metody jest fakt, iż wspomniane nanostruktury można otrzymywać jednoetapowo, w zamkniętym reaktorze i bez konieczności wstępnego ogrzewania reagentów.

EN

We present the results of systematic investigations of the combustion syntheses in Si-containing/polytetrafluoroethylene (PTFE) (Teflon) mixtures under different operational conditions in which 1-D SiC nanofibres and nanotubes are spontaneously and efficiently produced. 1-D SiC nanostructures can be also formed when PTFE is replaced by other carbon halides. We have also extended the range of tested reaction mixtures. Thus, 1-D nanostructures were synthesized from Al4Mg₃/ carbon halide mixtures while B/PTFE composition yielded nanocrystalline boron carbide. Other interesting carbon-related nanostructures (carbides, encapsulates and carbon nanoonions) were also efficiently produced by reductive carbonization of C₂Cl₆ using sodium azide under the presence of a ferrocene. The composition and structural features of the products were characterised by the elemental analysis, X-ray diffraction, differential thermal analysis/thermogravimetric technique, Raman spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy, and energy dispersive X-ray spectrometry. This self-induced growth process can produce nanofibres and nanotubes ca. 20-100 nm in diameter and several microns long, with the aspect ratio higher than 10³. In summary, the reductive dehalogenation of carbon halides during the combustion synthesis is a useful strategy in molecular engineering of carbon-related nanostructures. We succeeded in forming carbon onions, carbon-caged crystallites, 1-D silicon and aluminum carbides, and 3-D boron carbide. We believe that the vapour-liquid-solid (VLS) nucleation mechanism involving radical gaseous species is responsible for 1-D nanostructure growth. These nanostructures can be produced in a single step, in a closed reactor, without externally heating the reactants. Thus, the route proposed here may provide a new self-induced and efficient method to produce the novel nanomaterials.

Słowa kluczowe

PL

synteza spaleniowa; SiC; nanostruktury

EN

combustion syntheses; SiC; nanostructures; material science

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 54, nr 10
• Strony: 57--71
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Huczko A.

• Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, 02-093 Warszawa, ul. Pasteura 1

autor

Cudziło S.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii, Chemii i Fizyki Technicznej, Instytut Chemii, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Bystrzejewski M.

• Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, 02-093 Warszawa, ul. Pasteura 1

autor

Lange H.

• Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, 02-093 Warszawa, ul. Pasteura 1

autor

Szala M.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii, Chemii i Fizyki Technicznej, Instytut Chemii, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

Bibliografia

• [1] C. N. R. Rao, F. L. Deepak, G. Gundiah and A. Govindaraj, Inorganic nanowires, Progress in Solid State Chemistry, v. 31, 2003, 5-147.
• [2] Z. A. Munir, J. B. Holt, Combustion and plasma synthesis of high-temperature materials, VCH Publishers, Inc., 1990.
• [3] K. C. Patil, Advanced ceramics, Bull. Mater. Sci., v. 16, 1993, 533-541.
• [4] J. C. Toniolo, M. D. Lima, A. S. Takimi, C. P. Bergmann, Synthesis of alumina powders by the glycine-nitrate combustion process, Mat. Res. Bull., v. 40, 2005, 561-571.
• [5] Y. Jl, D. Jiang, T. Fen, J. Shi, Fabrication of transparent La2Hƒ207 ceramics from combustion synthesized powders, Mat. Res. Bull., v. 40, 2005, 553-559.
• [6] K. H. Wu, W. C. Huang, C. C. Yang and J. S. Hsu, Sol-gel auto-combustion synthesis of Ni0.5Zn0.5Fe2O4/(SiO2)x nanocomposites and their characterization, Mat. Res. Bull., v. 40, 2005, 239-248.
• [7] S. T. Aruna, K. S. Rajam, Mixture of fuels approach for the solution combustion synthesis of Al2O3-ZrO2 nanocomposite, Mat. Res. Bull., v. 39, 2004, 157-167.
• [8] A. Huczko, H. Lange, J. Paszek, M. Bystrzejewski, S. Cudziło, S. Gachet, M. Monthioux, Y. Q. Zhu, H. W. Kroto, D. R. M. Walton, A simple route to new 1-D nanostructures, 4th International Conference on Intelligent Processing and Manufacturing of Materials, IPPM-2003, May 18-23, Sendai, Japan 2003.
• [9] L. Kavan, Electrochemical carbon, Chem. Rev., v. 97, 1997, 3061-3082.
• [10] A. Yasuda, N. Kawase, T. Matsui, T. Shimidzu, C. Yamaguchi, H. Matsui, Carbyne: electrochemical preparation and nanotubes formation, React. Funct. Polym., v. 41, 1999, 13-19.
• [11] A. Huczko, H. Lange, G. Chojecki, S. Cudziło, Y. Q. Zhu, H. W. Kroto, D. R. M. Walton, Synthesis of novel nanostructures by metal-polytetrafluoroethene thermolysis, J. Phys. Chem. B, v. 107, 2003, 2519-2524.
• [12] A. Huczko, H. Lange, G. Chojecki, S. Cudziło, Y. Q. Zhu, H. W. Kroto, D. R. M. Walton, A. Presz, R. Diduszko, Combustion synthesis of nanostructures. XVIth International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials “Molecular Nanostructures”, Kirchberg, Austria, March 2002, 2-9, Abstr. Book, p. 50.
• [13] N. Igawa, T. Taguchi, T. Nozawa, L. L. Snead, T. Hinoki, J. C. McLaughlin, Y. Katoh, S. Jitsukawa and A. Kohyama, Fabrication of SiC fiber reinforced SiC composite by chemical vapor infiltration for excellent mechanical properties, J. Phys. Chem. Solids, v. 66, 2005, 551-554.
• [14] H. C. Lo, D. Das, J. S. Hwang, K. H. Chen, C. H. Hsu, C. F. Chen and L. C. Chen, SiC-capped nanotip arrays for field emission with ultralow turn-on field, Appl. Phys. Lett., v. 83, 2003, 1420-1422.
• [15] J. Q. Hu, Q. Y. Lu, K. B. Tang, B. Deng, R. R. Jiang, Y. T. Qian, W. C. Yu, G. E. Zhou, X. M. Liu and J. X. Wu, Synthesis and characterization of SiC nanowires through a reduction-Carburization Route, J. Phys. Chem. B, v. 104, 2000, 5251-5254.
• [16] G. Shen, D. Chen, K. Tang, Y. Qian and S. Zhang, Silicon carbide hollow nanospheres, nanowires and coaxial nanowires, Chem. Phys. Lett., v. 375, 2003, 177-184.
• [17] Y. H. Gao, Y. Bando, K. Kurashima, T. Sato, SiC nanorods prepared from SiO2 and activated carbon, J. Mater. Sci., v. 37, 2002, 2023-2029.
• [18] T. J. Manning, M. Mitchell, J. Stach and T. Vickers, Synthesis of exfoliated graphite from fluorinated graphite using an atmospheric-pressure argon plasm, Carbon, v. 37, 1999, 1159-1164.