mehrab123
5th October 2012, 03:26 PM
روش‌هاي توليد و فرآوري فولرن‌ها
http://img.tebyan.net/big/1387/06/2287925020479108113122131127215982234182224.jpg
اغلب روش‌هايي که در تحقيقات مختلف براي توليد فولرن‌ها (http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=68297) به کار مي‌رود، از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نبوده و يا محصول به دست آمده از آن‌ها خواص مطلوبي ندارد. بنابراين در اينجا برخي از روش‌هاي اقتصادي و بهينه براي توليد فولرن‌ها بررسي مي‌شود، که عبارتند از:1. حرارت‌دهي از طريق مقاومت الکتريکي2. حرارت‌دهي از طريق قوس الکتريکي3. حرارت‌دهي به روش القائي4. سنتز احتراقي فولرن‌ها
حرارت‌دهي از طريق مقاومت الکتريکي
کرتسمر و فاستيروپلوس ( Kratschmer, Fostiropoulos )براي اولين بار از اين روش براي توليد فولرن‌ها استفاده نمودند. دستگاه مورد استفاده در اين روش در شکل1 نشان داده شده است. اين دستگاه شامل يک ظرف شيشه‌اي به شکل زنگ کليسا است که به يک سيستم پمپاژ متصل است. گاز مورد استفاده در اين آزمايش از طريق همين پمپ وارد محفظه مي‌شود. درون ظرف شيشه‌اي و در مدخل ورودي گاز دو ميله گرافيتي به هم متصل شده‌اند. اين دو ميله به واسطه اعمال فشار از يک فنر، همواره در تماس با يکديگر هستند. نوک يکي از ميله‌هاي گرافيتي به صورت مخروط تيز شده و نوک ميله ديگر به صورت تخت است. اين ميله‌هاي گرافيتي به يک الکترود مسي متصل شده‌اند. براي جلوگيري از اکسيداسيون و شکل‌گيري مواد زائد، گاز درون محفظه شيشه‌اي خارج شده و به جاي آن گاز هليم با فشار torr 140 وارد محفظه مي‌شود. بعد از اعمال ولتاژ بين دو ميله گرافيتي، جريان الکتريکي از ميله‌هاي گرافيتي عبور کرده و در محل تماس دو ميله گرافيتي گرماي زيادي ايجاد خواهد شد. اين امر منجر به درخشندگي زيادي در محل تماس دو ميله گرافيتي مي‌شود. حرارت توليد شده در اين منطقه دمايي بين ?C 3000-2500 توليد مي‌کند. اين دما براي توليد ساختارهاي کروي فولرن بسيار مناسب است. در نهايت در اثر اين امر دوده‌اي در منطقه تماس توليد شده و به وسيله عمل جابجايي به مناطق سردتر دستگاه منتقل شده و در آنجا رسوب مي‌کند.
http://img.tebyan.net/big/1387/06/22512717613258155184158247198231951191255232.jpg
بعد از انجام واکنش، مواد دوده‌اي شکلي در ظرف شيشه‌اي توليد مي‌شود که احتمالاً حاوي ساختارهاي کربني ديگري غير از فولرن‌ها نيز خواهد بود. براي جداسازي فولرن‌ها از اين مواد، از حلال‌هايي مانند تولوئن استفاده مي‌شود. راندمان توليد در اين روش بين 10-15% است. مزيت عمده توليد فولرن‌ها از اين طريق، اصول ساده ساخت دستگاه مورد نظر است. اين مزيت همراه با هزينه ساخت پايين، اين روش را به يکي از مهمترين روش‌هاي توليد فولرن‌ها مبدل کرده است.
حرارت‌دهي از طريق قوس الکتريکي
روش تخليه قوس بين دو ميله گرافيتي به وسيله دانشمندي به نام اسمالي ابداع شد و توسعه يافت. در روش حرارت‌دهي از طريق مقاومت الکتريکي اگر دو ميله گرافيتي در فاصله بسيار نزديکي از هم قرار گيرند و با هم در تماس نباشند، به جاي ايجاد مقاومت الکتريکي در محل تماس ميله‌هاي گرافيتي، يک قوس الکتريکي بين اين دو برقرار شده و حرارت به اين طريق بين دو ميله ايجاد مي‌شود. اين فرايند اساس روش توليد فولرن‌ها از طريق قوس الکتريکي است. براي حفظ فاصله بين ميله‌هاي گرافيتي در حين مصرف شدن آن‌ها از يک فنر استفاده مي‌شود. اگر فاصله بين ميله‌هاي گرافيتي زياد شود قوس از بين مي‌رود و اگر دو ميله با هم مماس شوند، قوس تماسي بين آن‌ها توليد مي‌شود و منجر به تبخير نامناسب گرافيت خواهد شد. راندمان چنين روشي حدود 15% است.
حرارت‌دهي به روش القائي
فولرن‌ها را مي‌توان از طريق حرارت‌دهي القائي نمونه‌هاي کربني نيز توليد نمود. در اين روش ميله گرافيتي روي يک نگهدارنده از جنس نيتريد بور قرار داده شده وبه وسيله يک المان الکتريکي تبخير مي شود. تبخير در دماي ?C2700 در اتمسفر هليوم صورت مي‌گيرد. براي تأمين چنين دمايي از جريان‌هاي متناوب با فرکانس‌هاي راديويي استفاده مي‌شود. اين روش يک فرايند توليد پيوسته فولرن‌هاست. سرعت توليد هم در اين روش مناسب است. به طوريکه در مدت 10 دقيقه، 1 گرم گرافيت تبخير و حدود 80 تا 120 ميلي‌گرم فولرن به دست مي‌آيد.به جاي گرافيت از منابع کربني ديگري نيز مي‌توان استفاده نمود. به عنوان مثال در يک نوع آزمايش از بخار استيلن به عنوان منبع کربن استفاده شده است. اگر از گازهاي حاوي عنصر کربن مثل استيلن به عنوان منبع کربن استفاده شود، در اثر اعمال فرکانس‌هاي راديويي به اين گازها، پلاسماي درخشاني توليد خواهد شد.
سنتز احتراقي فولرن‌ها
براي توليد فولرن توسط اين روش، مخلوطي از گازهاي اکسيژن و بنزن استفاده مي‌شود. به همراه گازهاي اشاره شده در بالا، گاز آرگون نيز وارد محفظه دستگاه مي‌شود (شکل 2).
http://img.tebyan.net/big/1387/06/64128902372372152041611661284718065183137170.jpg
نقش آرگون کنترل اتمسفر محفظه و فشار گاز است. راندمان توليد اين روش بستگي به شرايط اعمالي دارد. بسته به شرايط اعمال شده در اين روش، نسبت توليد C70 به C60 بين 0.26 تا 5.7 متغير است. اين مقدار با افزايش فشار گاز بيشتر مي‌شود. در تحقيقات انجام گرفته شرايط بهينه به صورت فشار گاز torr 20، دماي شعله حدود ?C1527، نسبت کربن به اکسيژن 0.995 و مقدار آرگون 10% گزارش شده است. لازم به ذکر است که در اين روش هم مثل روش‌هاي قبلي، در دوده توليد شده به جز فولرن ساختارهاي کربني ديگري نيز وجود دارد. به نظر مي‌رسد اين روش در آينده يکي از روش‌هاي توليد فولرن‌ها در مقياس صنعتي باشد.
منبع تبیان
http://img.tebyan.net/big/1387/06/2287925020479108113122131127215982234182224.jpg
اغلب روش‌هايي که در تحقيقات مختلف براي توليد فولرن‌ها (http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=68297) به کار مي‌رود، از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نبوده و يا محصول به دست آمده از آن‌ها خواص مطلوبي ندارد. بنابراين در اينجا برخي از روش‌هاي اقتصادي و بهينه براي توليد فولرن‌ها بررسي مي‌شود، که عبارتند از:1. حرارت‌دهي از طريق مقاومت الکتريکي2. حرارت‌دهي از طريق قوس الکتريکي3. حرارت‌دهي به روش القائي4. سنتز احتراقي فولرن‌ها
حرارت‌دهي از طريق مقاومت الکتريکي
کرتسمر و فاستيروپلوس ( Kratschmer, Fostiropoulos )براي اولين بار از اين روش براي توليد فولرن‌ها استفاده نمودند. دستگاه مورد استفاده در اين روش در شکل1 نشان داده شده است. اين دستگاه شامل يک ظرف شيشه‌اي به شکل زنگ کليسا است که به يک سيستم پمپاژ متصل است. گاز مورد استفاده در اين آزمايش از طريق همين پمپ وارد محفظه مي‌شود. درون ظرف شيشه‌اي و در مدخل ورودي گاز دو ميله گرافيتي به هم متصل شده‌اند. اين دو ميله به واسطه اعمال فشار از يک فنر، همواره در تماس با يکديگر هستند. نوک يکي از ميله‌هاي گرافيتي به صورت مخروط تيز شده و نوک ميله ديگر به صورت تخت است. اين ميله‌هاي گرافيتي به يک الکترود مسي متصل شده‌اند. براي جلوگيري از اکسيداسيون و شکل‌گيري مواد زائد، گاز درون محفظه شيشه‌اي خارج شده و به جاي آن گاز هليم با فشار torr 140 وارد محفظه مي‌شود. بعد از اعمال ولتاژ بين دو ميله گرافيتي، جريان الکتريکي از ميله‌هاي گرافيتي عبور کرده و در محل تماس دو ميله گرافيتي گرماي زيادي ايجاد خواهد شد. اين امر منجر به درخشندگي زيادي در محل تماس دو ميله گرافيتي مي‌شود. حرارت توليد شده در اين منطقه دمايي بين ?C 3000-2500 توليد مي‌کند. اين دما براي توليد ساختارهاي کروي فولرن بسيار مناسب است. در نهايت در اثر اين امر دوده‌اي در منطقه تماس توليد شده و به وسيله عمل جابجايي به مناطق سردتر دستگاه منتقل شده و در آنجا رسوب مي‌کند.
http://img.tebyan.net/big/1387/06/22512717613258155184158247198231951191255232.jpg
بعد از انجام واکنش، مواد دوده‌اي شکلي در ظرف شيشه‌اي توليد مي‌شود که احتمالاً حاوي ساختارهاي کربني ديگري غير از فولرن‌ها نيز خواهد بود. براي جداسازي فولرن‌ها از اين مواد، از حلال‌هايي مانند تولوئن استفاده مي‌شود. راندمان توليد در اين روش بين 10-15% است. مزيت عمده توليد فولرن‌ها از اين طريق، اصول ساده ساخت دستگاه مورد نظر است. اين مزيت همراه با هزينه ساخت پايين، اين روش را به يکي از مهمترين روش‌هاي توليد فولرن‌ها مبدل کرده است.
حرارت‌دهي از طريق قوس الکتريکي
روش تخليه قوس بين دو ميله گرافيتي به وسيله دانشمندي به نام اسمالي ابداع شد و توسعه يافت. در روش حرارت‌دهي از طريق مقاومت الکتريکي اگر دو ميله گرافيتي در فاصله بسيار نزديکي از هم قرار گيرند و با هم در تماس نباشند، به جاي ايجاد مقاومت الکتريکي در محل تماس ميله‌هاي گرافيتي، يک قوس الکتريکي بين اين دو برقرار شده و حرارت به اين طريق بين دو ميله ايجاد مي‌شود. اين فرايند اساس روش توليد فولرن‌ها از طريق قوس الکتريکي است. براي حفظ فاصله بين ميله‌هاي گرافيتي در حين مصرف شدن آن‌ها از يک فنر استفاده مي‌شود. اگر فاصله بين ميله‌هاي گرافيتي زياد شود قوس از بين مي‌رود و اگر دو ميله با هم مماس شوند، قوس تماسي بين آن‌ها توليد مي‌شود و منجر به تبخير نامناسب گرافيت خواهد شد. راندمان چنين روشي حدود 15% است.
حرارت‌دهي به روش القائي
فولرن‌ها را مي‌توان از طريق حرارت‌دهي القائي نمونه‌هاي کربني نيز توليد نمود. در اين روش ميله گرافيتي روي يک نگهدارنده از جنس نيتريد بور قرار داده شده وبه وسيله يک المان الکتريکي تبخير مي شود. تبخير در دماي ?C2700 در اتمسفر هليوم صورت مي‌گيرد. براي تأمين چنين دمايي از جريان‌هاي متناوب با فرکانس‌هاي راديويي استفاده مي‌شود. اين روش يک فرايند توليد پيوسته فولرن‌هاست. سرعت توليد هم در اين روش مناسب است. به طوريکه در مدت 10 دقيقه، 1 گرم گرافيت تبخير و حدود 80 تا 120 ميلي‌گرم فولرن به دست مي‌آيد.به جاي گرافيت از منابع کربني ديگري نيز مي‌توان استفاده نمود. به عنوان مثال در يک نوع آزمايش از بخار استيلن به عنوان منبع کربن استفاده شده است. اگر از گازهاي حاوي عنصر کربن مثل استيلن به عنوان منبع کربن استفاده شود، در اثر اعمال فرکانس‌هاي راديويي به اين گازها، پلاسماي درخشاني توليد خواهد شد.
سنتز احتراقي فولرن‌ها
براي توليد فولرن توسط اين روش، مخلوطي از گازهاي اکسيژن و بنزن استفاده مي‌شود. به همراه گازهاي اشاره شده در بالا، گاز آرگون نيز وارد محفظه دستگاه مي‌شود (شکل 2).
http://img.tebyan.net/big/1387/06/64128902372372152041611661284718065183137170.jpg
نقش آرگون کنترل اتمسفر محفظه و فشار گاز است. راندمان توليد اين روش بستگي به شرايط اعمالي دارد. بسته به شرايط اعمال شده در اين روش، نسبت توليد C70 به C60 بين 0.26 تا 5.7 متغير است. اين مقدار با افزايش فشار گاز بيشتر مي‌شود. در تحقيقات انجام گرفته شرايط بهينه به صورت فشار گاز torr 20، دماي شعله حدود ?C1527، نسبت کربن به اکسيژن 0.995 و مقدار آرگون 10% گزارش شده است. لازم به ذکر است که در اين روش هم مثل روش‌هاي قبلي، در دوده توليد شده به جز فولرن ساختارهاي کربني ديگري نيز وجود دارد. به نظر مي‌رسد اين روش در آينده يکي از روش‌هاي توليد فولرن‌ها در مقياس صنعتي باشد.
منبع تبیان