Summary
여기, 수성 환경에서 탄소 나노 물질의 기능화 및 안정한 분산을위한 새로운 방법이 설명된다. 오존은 고출력 초음파 셀을 통해 연속적으로 재순환되는 카본 나노 물질의 수성 분산액에 직접 주입됩니다.
Abstract
탄소 나노 물질의 기능화는 대용량 재료 시스템 및 장치로의 통합을 용이하게하는 중요한 단계입니다. 수신 된 형태에서, 탄소 나노 튜브 (CNTs) 또는 그라 핀 나노 플레이트 (GNPs)와 같은 탄소 나노 물질은 큰 응집체를 포함 할 수있다. 응집체 및 불순물은 CNT 또는 GNP가 중합체 또는 복합 재료 시스템에 혼입 될 때 제공되는 고유 한 전기적 및 기계적 특성의 이점을 감소시킬 것이다. 탄소 나노 물질을 기능화하고 안정한 분산액을 만들기위한 다양한 방법이 있지만, 많은 공정은 환경에 친화적이지 않은 가혹한 화학 물질, 유기 용매 또는 계면 활성제를 사용하며 이후 사용을 위해 나노 물질을 분리 할 때 처리 부담을 증가시킬 수 있습니다. 현재의 연구는 CNTs와 GNPs를 기능화하기위한 대체적이고 환경 친화적 인 기술의 사용에 대해 자세히 기술하고있다. 그것은 해가없는 안정한 수성 분산액을 생성한다.ul 화학 물질. CNTs와 GNPs는 최대 5g / L의 농도로 물에 첨가 될 수 있으며 고출력 초음파 셀을 통해 재순환 될 수 있습니다. 세포 내로의 오존의 동시 주입은 탄소 나노 물질을 점진적으로 산화시키고, 결합 된 초음파 처리는 응집체를 분해하고 즉시 새로운 물질을 기능화를 위해 노출시킨다. 준비된 분산액은 전기 영동 증착 (EPD)을 사용하여 고체 기판에 박막을 증착하는 데 이상적입니다. 수성 분산 물로부터의 CNT 및 GNP는 계층 적 복합 재료의 제조를 위해 EPD를 사용하여 탄소 및 유리 강화 섬유를 코팅하는데 용이하게 사용될 수있다.
Introduction
고분자 및 복합 시스템을 변경하기위한 탄소 나노 물질의 사용은 지난 20 년 동안 집중적 인 연구 관심을 보였다. 최근 탄소 나노 튜브 1 (CNTs)과 나노 판 2 (GNPs)의 사용에 대한 폭 넓은 연구 결과가 발표되었다. CNTs와 GNPs의 높은 고유 강성과 강도는 높은 고유 전기 도전성과 함께 나노 복합체 재료의 기계적 성능과 전기적 성능을 향상시키기 위해 고분자 시스템에 결합하기에 이상적입니다. 탄소 나노 물질을 사용하여 섬유 계면 접착력과 매트릭스 강성을 모두 수정함으로써 계층 적 복합 구조의 개발에도 CNT 및 GNP가 사용되었습니다 3 , 4 .
탄소 나노 물질의 고분자 시스템으로의 균질 한 분산은 종종폴리머 매트릭스와의 화학적 호환성을 향상시키고, 불순물을 제거하고, 수용된 재료로부터 응집체를 감소 시키거나 제거하기 위해 나노 물질을 화학적으로 변경시키는 공정 단계를 포함한다. 탄소 나노 물질을 화학적으로 변형시키는 다양한 방법이 가능하며 강산 5 , 6 , 계면 활성제 7을 이용한 습식 화학 산화, 전기 화학적 인 삽입 및 박리 8 또는 플라즈마 기반 공정 9을 이용한 건식 화학 처리가 포함될 수있다.
CNT의 산화 단계에서 강산의 사용은 산소 작용기를 도입하고 불순물을 제거한다. 그러나 CNT의 길이를 현저하게 감소시키고, CNT 외벽에 손상을 주며, 추가 가공을 위해 처리 된 물질로부터 격리 될 필요가있는 위험한 화학 물질을 사용하는 단점이있다./ sup>. 초음파 처리와 결합 된 계면 활성제의 사용은 안정한 분산액을 제조하기에 덜 공격적인 방법을 제공하지만 계면 활성제는 종종 처리 된 물질에서 제거하기 어렵고 나노 복합체 물질을 제조하는 데 사용되는 중합체와 호환되지 않을 수 있습니다 11 . 계면 활성제 분자와 CNT 또는 GNP 사이의 화학적 상호 작용의 강도는 또한 기계적 응용에 불충분 할 수있다. 대기 조건에서 수행되는 건식 플라즈마 처리 공정은 섬유 또는 평면 표면 상에 존재하는 CNT의 배열을 기능화하여 계층 적 복합체 9 를 제조하는 데 적합합니다. 그러나, 대기 플라즈마는 건조 분말에 적용하기가 더 어려우며, 제조 된 원료 탄소 나노 물질에 존재하는 응집체의 문제점을 해결하지 못한다.
현재 연구에서 우리는 초음파의 상세한 설명을 소개한다.탄소 나노 물질 12 , 13 , 14에 이전에 적용한 미립자 - 오존 분해 (USO) 방법에 관한 것이다. USO 공정은 CNTs와 GNPs 모두 탄소와 유리 섬유에 전기 영동 증착 (EPD)하기에 적합한 안정한 수성 분산액을 제조하는 데 사용됩니다. USO로 기능화 된 CNT를 사용하여 스테인레스 강 및 탄소 직물 기판에 얇고 균일 한 필름을 증착하는 EPD의 예가 제공 될 것입니다. X- 선 광전자 분광법 (XPS)과 라만 분광법을 사용하여 기능화 된 CNT와 GNP를 화학적으로 특성화하는 데 사용되는 방법과 일반적인 결과도 제공됩니다. 다른 기능화 기술과 비교하여 특성화 결과에 대한 간략한 설명이 제공됩니다.
작업 건강 및 안전 통지
인간의 건강에 대한 CNT와 같은 나노 입자에 대한 노출 효과는 잘 알려져 있지 않습니다. 그것CNT 파우더에 대한 환경 오염을 최소화하고 환경 오염을 피하기 위해 특별한 조치를 취하는 것이 좋습니다. 권장되는 위험 격리 조치에는 HEPA 필터 장착 흄 캐비닛 및 / 또는 글로브 박스 작업이 포함됩니다. 직업 위생 조치에는 방호복과 2 층의 장갑을 착용하고 축축한 종이 타월을 사용하여 표면을 정기적으로 청소하거나 HEPA 필터가있는 진공 청소기를 사용하여 CNT 분말을 제거합니다. 오염 된 제품은 위험 폐기물 처리를 위해 포장해야합니다.
오존에 노출되면 눈, 폐 및 호흡기가 자극을받을 수 있으며 고농도에서는 폐 손상을 일으킬 수 있습니다. 발생 된 오존 가스에 대한 개인 및 환경 노출을 최소화하기위한 조치를 취하는 것이 권장된다. 격리 측정은 연기 찬장 내에서의 작업을 포함합니다. 반환 공기 흐름은 사용되지 않은 오존을 포함하기 때문에, 대기로 방출되기 전에 오존 파괴 장치를 통과해야합니다구체. 오존이 그들을 통해 버블 링 된 분산은 일부 용존 오존을 포함합니다. 오존 분해 작업 후 오존이 자연 분해 될 수 있도록 추가 처리를하기 전에 분산액을 1 시간 동안 두십시오.
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Protocol
1. 초음파 오존 분해에 의한 CNTs 및 GNPs의 기능화
- HEPA 필터가 장착 된 흄 캐비닛 안의 글로브 박스에 나노 물질의 무게를 잰다. 원하는 양의 나노 물질을 비이커에 넣습니다. 병에 옮기고 1g / L의 농도가되도록 초순수를 넣으십시오.
- 병을 뚜껑으로 밀봉하십시오. CNTs 또는 GNPs를 분산시키기 위해 표준 초음파 욕조 (재료 목록 참조, 주파수 : ~ 43 ± 2kHz, 전력 : 60W)에 초음파 처리하십시오.
참고 :주의. 위의 근로 건강 및 안전 통지를 참조하십시오. - 조심스럽게 자석 교반 막대를 포함하는 반응 플라스크에 나노 물질 현탁액을 붓는다. 오존 및 초음파 경적 입구 및 출구에 충분한 포트가있는 반응기 플라스크 뚜껑을 부착하십시오. 이것을 교반 판에 놓고 다이얼을 조정하여 자기 교반기를 켜서 CNT가 정체되지 않도록하십시오.
- 초음파 셀에 초음파 경적을 조립하고 경적팁이 양호한 상태입니다. 그림 1을 참조하십시오.
그림 1 : 초음파 오존 분해 시스템. 이 도식 다이어그램은 초음파 오존 분해 시스템의 다양한 요소를 연결하는 방법을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 반응기, 초음파 셀 및 연동 펌프를 연결하기 위해 실리콘 튜빙을 사용하십시오. 그림 1을 참조하십시오.
- 반응기에 오존 버블 러를 넣고 오존 발생기에 연결하십시오.
참고 :주의. 위의 근로 건강 및 안전 통지를 참조하십시오. - 재순환 액체 냉각기 장치를 냉각 코일 (반응기 냉각 용)과 초음파 셀 냉각 재킷에 연결하십시오. 스위치를 뒤집어 재순환 액체 냉각 장치를 켭니다.g 단위로 오존 반응기 및 초음파 셀을 냉각시킵니다. 냉각액이 초음파 셀과 반응기 냉각 욕조를 통해 흐르고 있는지 확인하십시오.
- 초음파 호온 조절 장치에 연결된 열전대를 사용하여 반응기 온도를 측정하십시오. 시스템이 5 ° C까지 식을 때까지 기다리십시오.
- CNT가있는 반응 플라스크를 제 위치에 놓습니다. 완전히 침수되도록 오존 확산기를 반응기 플라스크 바닥에 삽입합니다. 초음파 셀의 출구 튜브가 분산 장치 표면 아래로 최소 25mm 가라 앉았는지 확인하십시오.
- 연동 식 펌핑 작업에서와 동일한 실리콘 튜빙을 사용하여 원자로에서 배출 튜브를 오존 파괴 장치에 연결하십시오. 오존 파괴 장치의 배출구쪽에 워터 버블 러를 사용하는 것은 선택 사항이지만 잔여 오존을 포착하는 데 도움이되며 오존 발생기가 연결되어 올바르게 작동한다는 표시를 제공합니다.
- 오존 발생기로의 산소 공급을 켜고 오존 발생기를 통해 0.5-L / min 유량을 달성하도록 밸브를 조정하십시오.
- 스위치를 뒤집어서 오존 발생기를 켭니다. 펌핑 또는 초음파 처리를 시작하기 전에 30-60 분 동안 작동하도록하십시오.
- 연동 펌프를 켜고 펌프 다이얼을 약 5 또는 6으로 설정하여 0.67 Hz로 조정하고 CNT 분산이 셀을 통해 균등하게 흐르도록하십시오.
- 초음파 혼을 켜고이 값을 수동 조작 메뉴의 제어 모듈에 입력하여 전원을 60W로 조정하십시오.
- 초기 시동시 진폭 설정을 서서히 올려 60W의 원하는 전력 출력을 얻으십시오.
참고 : 초음파 혼은 20 kHz에서 작동합니다. 진폭 설정과 전원 설정은 일반적으로 비슷한 값이지만 초기 시동시 진폭 설정을 천천히 늘려 원하는 상태로 만들 필요가 있습니다d 출력은 60W입니다.
- 안정적인 펌핑과 초음파 혼 작동을 위해 적어도 30 분 동안 초음파 처리 과정을 관찰하십시오.
- 연동 식 펌프 메커니즘과 마주 보도록 연성 튜빙을 직접 모니터링하십시오. 적어도 2 시간마다 튜브 위치를 조정하여 튜브가 완전성을 유지하는지 확인하십시오. 별도의 카본 나노 물질 처리 작업을 할 때마다 튜브를 교체하십시오.
- 원하는 USO 처리 시간이 경과하면 스위치를 눌러 오존 발생기, 초음파기 및 펌프를 끕니다. 탄소 나노 재료 분산액이 전기 영동 증착에서 나중에 사용하기 위해 밀봉 된 용기로 이송 될 준비가 될 때까지 교반을 유지한다.
- 분산액을 옮기기 전에 약 1 시간 동안 기다려서 용액의 오존이 분해되도록하십시오.
- USO 처리 후 24 시간 이내에 전기 영동을 수행하지 않으면 나노 물질 분산액을 다시 초음파 처리하여 입자 수를 최소화한다.분산에서 벗어났다. 탄소 나노 물질 분산액의 병에 음파 경적을 넣고 사용하기 전에 30 분간 음파 처리하십시오 (위와 같음).
2. 전기 영동
- 0.2mm 시트 재료로 된 세 개의 스테인리스 전극, 60mm (L) x 25mm (W)를 준비하십시오.
- 윤활유로서 초순수를 사용하여 전극을 연마하십시오. 마모 후 전극을 초음파 세척 욕조에 놓고 10 분 동안 초순수로 세척합니다.
- 100 ° C의 깨끗한 오븐에 양극 증착에 사용할 전극을 놓고 10 분 동안 건조시킵니다. 전극을 데시 케이 터 (desiccator)로 옮겨 식힌다. 전극을 4 자리 분석 저울에 놓습니다.
- 코팅되지 않은 무게 (그램)로 소수점 네 자리까지 전극의 무게를 기록하십시오. 나머지 두 개의 전극을 건조시키고 deiccator에 보관하여 de위치.
- 작은 부 및 10mm 비 전도성 플라스틱 스페이서와 같은 적절한 클램핑 장치 ( 그림 2 참조)를 사용하여 전극을 조립하고 외부 전극을 음극으로 사용하고 내부 전극을 양극으로 사용합니다.
그림 2 : 전기 영동 증착 셀. 이 개략도는 전기 영동 증착 셀의 구성을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 탄소 나노 재료 분산액 35 mL를 50 mL 비커에 옮긴다.
- 레토르트 스탠드에 스테인리스 스틸 전극 고정물을 놓고 전극을 비커의 전체 깊이까지 천천히 내립니다. DC 전원 공급 장치의 양극 단자를 중앙 스테인리스 강관 ano에 연결하십시오de. DC 전원 공급 장치의 음극 단자를 외부 음극에 연결하십시오. 악어 클립이있는 리드를 사용하여 두 개의 외부 음극을 연결하십시오.
- 정확한 전류 측정이 필요한 경우 멀티 미터를 전원 공급 장치 및 전극과 직렬로 연결하여 증착 중에 모니터링 할 수 있도록하십시오.
- DC 전원 공급 장치의 현재 설정을 최대 전류 (일반적으로 2A)로 조정 한 다음 검사에 필요한 전압까지 전압을 수동으로 조정하여 전원 공급 장치 출력이 꺼져 있는지 확인합니다. 스톱워치를 준비하고 필요한 코팅 시간 동안 전원 공급 장치를 켭니다.
- 일반적인 코팅 실험의 경우 코팅 시간을 1 분에서 15 분까지 조절하여 전압을 10V로 조정합니다. DC 전원 공급 장치를 끄고 천천히 전극을 분산액에서 들어 올려 필름이 방해받지 않도록하십시오.
- 전극에서 터미널을 분리하고 천천히 전극을 수평 방향 t로 반전시킵니다o 양극 위의 필름을 고르게 건조시킨다. 실온에서 필름으로부터 수분이 증발 한 후, 전극 고정물을 분해하고 양극을 100 ℃의 오븐에 넣고 1 시간 동안 건조시킨다.
- 필름이 어떤 표면과도 직접 닿지 않도록 오븐에서 양극을 클램프하고 매달 리십시오.
- 데시 케이 터에 필름 코팅 된 애노드를 놓고 식힌 다음 4 자리 분석 저울에 올려 놓습니다. 무게를 소수점 네 자리까지 기록하십시오. 코팅되지 않은 양극의 무게를 빼서 증착 된 필름의 질량을 결정하십시오.
- 코팅 된 양극을 사진으로 찍습니다. 적절한 이미지 처리 패키지를 사용하여 증착 된 필름의 면적을 정확하게 측정하십시오. 질량과 면적을 사용하여 필름의 면적 밀도 (mg / cm 2) 를 기록하십시오.
- 탄소 나노 물질의 스테인리스 강에 대한 증착 속도를 결정하는 데 필요한 각 증착 시간에 대해 코팅 및 중량 측정 단계를 반복합니다.사용 된 특정 전계 강도에 대한 정보.
3. 화학적 특성 - X 선 광전자 분광법 (XPS) 15
- XPS 분석을 위해 샘플을 준비하려면 원래 1g / L 분산액에서 수성 CNT 분산액을 드롭 캐스트하십시오.
- 피펫을 사용하여, 스테인레스 스틸 디스크에 분산액의 방울을 입금하고 그것은 실온에서 건조하실 수 있습니다. 두께가 약 2 μm 인 균일 한 두께의 CNT 코팅이 디스크에서 관찰 될 때까지이 과정을 반복합니다. 양면 전도성 테이프를 사용하여 스테인레스 스틸 디스크를 샘플 스텁에 장착하십시오.
- 시료를 시료 주입 챔버에 넣고 주 분석 챔버로 옮기기 전에 5 x 10-7 Torr의 진공으로 펌프를 내리십시오. 샘플을 배치하고 분석을 수행하기 전에 주 챔버 압력이 5 x 10-9 Torr에 도달 할 때까지 기다리십시오.
- 에XPS 측정의 일반적인 작동 조건을 따르려면 700 W x 300 μm의 영역을 밝히기 위해 150 W에서 작동하는 단색의 Al Kα , 1 X 선원을 사용하십시오. 시료 표면에 대해 90 ° 이륙각으로 광전자를 탐지합니다.
- 83.98eV의 결합 에너지에서 Au 4f 7/2 광전자 피크를 사용하여 분광계 에너지 스케일을 보정하십시오.
참고 : 에너지 계량기는 계측기 컨트롤 소프트웨어에서 계측기의 초기 커미셔닝 중에 조정됩니다. 그것은 장비를 담당하는 분광기에 의한 유지 보수 작업 후에 정기적으로 점검되며 사용자가 변경해서는 안됩니다.
- 83.98eV의 결합 에너지에서 Au 4f 7/2 광전자 피크를 사용하여 분광계 에너지 스케일을 보정하십시오.
- C 1s 영역 위에 30-eV 창을 배치하여 초기 샘플 전하를 모니터링하십시오. 전자 플러드 건 매개 변수를 체계적으로 조정하여 C 1s 피크를 284.6 eV에 배치하고 최대 피크 강도 절반에서 피크 폭을 최소화하여 전하 보상을 수행하십시오 (FWHM).
- 표면 원소 종을 확인하기 위해 고정 분석기 전송 모드에서 160 eV 통과 에너지와 0.5 eV 단계에서 0.1 s의 체류 시간으로 조사 스캔을 수행합니다. 0.05 eV 단계와 0.2 초의 드웰을 사용하여 20 eV 통과 에너지에서 영역 스펙트럼을 획득하십시오. 신호 대 잡음비를 높이려면 4 ~ 8 스윕을 사용하십시오.
- 스펙트럼을 정량화하기 위해 적절한 원소 라이브러리의 Shirley background fit과 sensitivity factor를 사용하십시오.
- USO 처리 시간과 함께 존재하는 다른 탄소 - 산소 종을 결정하기 위해 C 1s 고분해능 X 선 광전자 스펙트럼을 분리합니다.
- C 1s 피크를 정확하게 deconvolute하려면 흑연 탄소의 형상에 초기 피크 피트를 수행하여 sp 2 결합으로 인한 피크 모양과 저에너지 π 유형의 진동형 인공위성의 기여가 유지되도록합니다> 17. 모든 피크 피팅에 대해, 성분 결합 에너지와 FWHM을 각각 ± 0.1 eV와 ± 0.2 eV로 제한하고, 가우스 / 로렌츠 비율 30을 사용하십시오.
- 6 개의 개별 피크를 사용하여 흑연 피크 모양을 맞 춥니 다. 처리 된 나노 물질 15 , 9 , 14의 흑연 성분으로 인해 일정한 모양을 유지하기 위해 284.6 eV의 주 흑연 피크에 상대적인 각 피크의 영역을 일정 비율로 유지합니다.
4. 구조적 특성 - 라만 분광법 18
- 원래 분산액을 탈 이온수로 희석하여 0.1 g / L 농도를 달성함으로써 라만 분광 특성을위한 나노 물질을 준비합니다. 적합한 광택 된 금 기판 위에 분산액 0.05 mL를 피펫에 넣는다. 액체 방울을 실온에서 증발시켜 얇은 탄소막을 만들어 foc우리 라만 레이저 스팟.
참고 : 대형 기판을 사용하는 경우 금 기판의 크기가 결과에 부수적인데, 하나의 슬라이드에 여러 개의 시편을 배치 할 수 있습니다. - 분산 형 공 초점 현미경과 532 nm 레이저를 사용하여 50 배 확대 대물 렌즈로 라만 측정을 수행합니다. 2 cm -1 의 분해능으로 3,500 ~ 50 cm -1 의 스펙트럼을 얻습니다. 가능한 한 최대 에너지를 사용하여 레이저 에너지가 1 ~ 10 mW 인 50 μm 핀홀 애 퍼처를 사용하여 수집 중에 샘플 저하가 발생하지 않도록하십시오.
- 합리적인 신호 대 잡음비를 얻기 위해 각 스캔마다 10 ~ 50 스캔을 축적하고 2 ~ 5 초의 노출 시간을 사용하여 스펙트럼을 수집하십시오.
5. 필름 형태학 - 주사 전자 현미경 (SEM)
- 기능화 된 CNT / GNPs의 SEM 분석을 위해,각각의 분산액을 탈 이온수를 사용하여 0.1g / L로 용해시켰다. 알루미늄 SEM 스터브 위에 올려 놓고 공기 중에서 밤새 말립니다.
- 스테인리스 스틸 전극에 증착 된 EPD 필름의 경우, 전극을 1cm x 1cm 사각형으로 자르고 양면 전도성 테이프를 사용하여 샘플 스터브에 올려 놓습니다. 전도성 경로를 개선하기 위해 샘플 스터브에서 샘플의 상단 표면으로 작은 dag ( 즉, 전도성 접착제 / 페인트) 라인을 페인트합니다. 히터 램프 아래에서 시료를 최소 15 분 동안 건조시킵니다.
- 마운트 된 시험편을 스퍼터 코터에 놓고 약 1.3-1.5 nm 두께의 전도성 이리듐 코팅을 준다.
- 두께 측정 장치에서 재료 밀도를 적절한 수준으로 설정합니다.이 수준은 이리듐의 경우 22.56 g / cm 3 입니다. 코팅 중에 열 드리프트를 고려할 때 약 1.3-1.5 nm의 두께를주기 위해 1.0 nm로 목표 두께 설정을 조정하십시오.로세스.
- 두께 측정 장치로 스퍼터 코터 작업을 제어 할 수 있도록 코터 장치를 설정하십시오. 원하는 출력을 선택하십시오. 고해상도 코팅의 경우 80 mA가되어야합니다 19 .
- 두께 제어 장치의 코팅 두께 게이지를 제로화하고 "사이클"버튼을 눌러 자동 챔버 배출, 아르곤 블리드 / 플러시 및 코팅 순서를 시작합니다. 전원이 원하는 수준에 도달하면 코팅을 시작할 수 있도록 대상 실드를 옆으로 옮깁니다. 모든면에서 균일 한 코팅이 이루어 지도록 코팅하는 동안 스테이지를 회전시키고 기울이십시오.
- 렌즈 내 검출기가있는 전계 방출 SEM을 사용하여 나노 물질을 검사하십시오. 작동 거리는 약 3 mm이고 가속 전압은 3.0 kV입니다.
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Representative Results
그림 3 은 USO 치료를받은 CNT의 XPS 와이드 스캔 특성을 보여줍니다. USO를 수행하지 않은 CNT는 산소 함량을 거의 보이지 않습니다. USO 시간이 증가하면 표면 산소 수준이 증가합니다. 그림 4 는 USO 시간에 따라 산소 대 탄소 비율이 증가하는 차트입니다. 표 1 은 USO로 처리 된 GNP의 탄소 환산 된 탄소 원자 농도를 보여준다. 피크 피팅은 흑연 및 관련 에너지 손실 특성으로 인한 고유 한 피크 모양을 나타 내기 위해 Gr1에서 Gr6으로 표시되는 구속 된 피크의 조합을 사용했습니다. 그 후 산소 함유 종을 첨가하고, C1 피크 피팅 데이터 및 원소 C 및 O 퍼센티지와의 교차 - 상관을 실시하여 합리적인 피크 피팅 결과가 얻어 지도록 하였다. CO, C = O 및 COO 종은 USO 처리없이 사소한 수준이지만USO 12 시간으로 눈에 띄게 증가했습니다.
USO가 처리 한 CNT의 라만 스펙트럼을 그림 5 에 나타내었다. 1,346 cm -1 에서의 D 밴드의 강도는 CNTs20의 결함의 존재를 나타내며 USO 처리 전에 CNTs에 이미 결함이 있음을 나타낸다. USO 처리 시간이 증가함에 따라 1,576 cm -1 에서 1,582 cm -1 로 G 밴드가 이동하고, 두 번째 구성 요소는 1,618 cm -1 에서 더 두드러지게 나타납니다. 이것은 CNT의 산화 수준의 증가에 해당합니다. USO 처리 시간으로 2,941 cm -1 에서 2,698 cm -1 에서 2D 밴드의 강도가 현저히 감소하고 D + G 밴드가 약간 증가하여 CNT 20 의 산화 수준이 증가 함을 나타냅니다.
D 대 G 대역의 강도 비I D / I G 는 USO가없는 1.18에서 측정되었으며, USO 치료 155 분 후에 1.37로 증가했으며, USO 치료 시간이 길어질수록 훨씬 느린 속도로 계속 증가했다. 이것은 산화가 주로 기존의 결함에서 발생하고, 기존의 결함 부위가 포화되면 추가 USO 처리 시간의 산화 효과가 더 느리게 발생한다는 것을 나타낼 수 있습니다. 이것은 USO에서받은 CNT 구조에 최소한의 피해가 있음을 시사합니다.
그림 6 의 SEM 이미지는 USO로 처리 된 CNT를 처리되지 않은 CNT와 비교 한 것입니다. 미처리 된 CNT는 매우 응집되어 있고, USO로 처리 된 CNT는 표면 전체에 훨씬 고르게 분산되어있어 USO가받은 물질에 존재하는 응집체를 줄이는 데 도움이되었다.
USO로 처리 된 CNT는 다양한 조건을 사용하여 전기 영동으로 증착되었다이온. 전기 영동 시간이 증가함에 따라 두꺼운 필름이 생성되었다. 두꺼운 필름 도 그림 7 에서와 같이보다 높은 CNT 농도를 사용하여 생산되었다. GNPs가 사용될 때 유사한 결과가 달성된다. 도 8 은도 7 의 데이터를 곡선 - 피팅 (curve-fitting)하여 계산 된 증착 속도를 이용하여 다양한 CNT 농도에서의 전기 영동 증착 속도를 도시한다. 초기 CNT 농도가 알려지면 USO 처리 된 CNT의 EPD 속도는 상당히 잘 예측할 수 있습니다. 증착 속도 및 분산 농도의 선형 관계는 Hamaker Law 21 에서 예측되지만, 증착의 로그 속도는 증착 파라미터의 변화가 시간에 따라 발생 함을 보여줍니다. CNT가 탄소 12 및 유리 13 직물에 증착 된 이전 연구에서도 시간에 따른 증착 속도가 비선형임을 명확하게 보여 주었다. 유엔정전압 증착으로 인해 CNT 막의 저항이 증가하여 증착 속도가 감소하게된다.
그림 3 : 화학적 특성 - XPS. 다양한 시간 동안 USO를받는 CNT는 XPS를 사용하여 분석되었습니다. 이 이미지는 산소 (532eV)와 탄소 (284.6eV) 강도의 넓은 스캔 변화를 보여 주며 USO 시간이 길어질수록 산소 강도가 증가합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 원자 비율 - XPS. 이 그래프는 USO 시간이 증가하는 CNT의 O : C 원 자비 변화를 보여줍니다.그림 3에 표시된 스캔. 오존 분해 메카니즘은 매우 복잡하며 다항식 적합은 독자에게 가이드로서 산화 속도의 경향을 보여주기 위해 제공되지만 오존 분해 메커니즘에 대해서는 설명하지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : 구조적 특성 - 라만. 모든 스펙트럼은 강한 D 밴드 (~ 1,346 cm -1 ), G 밴드 (~ 1,576 cm -1 ), 2D 밴드 (~ 2,698 cm -1 ) 및 D + G 밴드 (~ 2,941 cm -1 )를 보였다. D- 밴드 증가는 그래파이트 결함의 증가를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. >
그림 6 : 필름 형태 - SEM. 이 이미지는 ( a ) 화학 처리되지 않은 CNT와 ( b ) USO로 처리 된 CNT를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7 : 전기 영동 측정. 이 그래프는 물에 분산 된 CNT 세 가지 농도를 사용하여 증착 시간 대 EPD 필름의 밀도를 보여줍니다. 블루 다이아몬드 = 2g / L, 빨간색 사각형 = 1.5g / L 및 녹색 삼각형 = 1g / L. 이들 샘플에는 14 V / cm DC 전계가 사용되었다.jpg "target ="_ blank ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8 : 전기 영동 증착율. 막 밀도 대 증착 시간의 그림 7 플롯의 커브 피트 (curve fit)로부터 계산 된 증착 속도를 사용하여, EPD 속도 대 CNT 농도 대 플롯. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 이름 | 위치 | 강제 | 반 이상 | 강제 | 면적 제한 | 원자 %집중 | |
| 0 시간 | 12 시간 | ||||||
| Gr 1 | 284.6 | ± 0.1 | 0.7 | ± 0.2 | 최고로 잘 맞는 | 29.4 | 17.6 |
| Gr 2 | 284.8 | 1.2 | Gr1 * 1.3 | 36.9 | 22.2 | ||
| Gr 3 | 286.1 | 1.3 | Gr1 * 0.4 | 12.5 | 7.5 | ||
| Gr 4 | 287.9 | 1.3 | Gr1 * 0.2 | 5.9 | 3.5 | ||
| Gr 5 | 289.5 | 1.6 | Gr1 * 0.1 | 3.3 | 1.8 | ||
| Gr 6 | 291.3 | 2.4 | Gr1 * 0.2 | 6.6 | 1.7 | ||
| CC | 285 | 1.2 | 최고로 잘 맞는 | 2.1 | |||
| 콜로라도 주 | 287 | 1.2 | 최고로 잘 맞는 | 1.5 | 14.3 | ||
| C = O | 288.6 | 1.2 | 최고로 잘 맞는 | 0.9 | 12.4 | ||
| 구구 | 289.4 | 1.2 | 최고로 잘 맞는 | 0.9 | 5.3 | ||
표 1 : 화학적 특성 - XPS. 이 표는 0 시간과 12 시간의 치료 시간 동안 USO 방법을 사용하여 처리 된 GNP에 대한 C 1s 스펙트럼을 디콘 볼 루션하는 데 사용 된 피크 피팅 파라미터를 보여줍니다. 또한 각 종의 생성 된 원자 농도를 보여줍니다 14 . Gr1, Gr2 등 은 피팅에 사용되는 다양한 흑연 피크를 나타냅니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
비 - 연봉 구성 요소는 호주 연방에 의해 지원되었습니다. University of Delaware의 저자는 미국 국립 과학 재단 (Grant # 1254540, Mary Toney 박사, 프로그램 책임자)의 지원을 감사하게 생각합니다. 저자는 전기 영동 증착 측정에 대한 도움으로 Mark Fitzgerald에게 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ultrasonic bath | Soniclean | 80TD | |
| Ultrasonic horn | Misonix | S-4000-010 with CL5 converter | Daintree Scientific |
| Flocell stainless steel water jacketed | Misonix | 800BWJ | Daintree Scientific |
| Peristaltic pump | Masterflex easy-load | 7518-00 | |
| Controller for peristaltic pump | Masterflex modular controller | 7553-78 | |
| Ozone generator | Ozone Solutions | TG-20 | |
| Ozone destruct unit | Ozone Solutions | ODS-1 | |
| Recirculating liquid cooler | Thermoline | TRC2-571-T | |
| Multi-mode power supply unit | TTi | EX752M | |
| High resolution computing multimeter | TTi | 1906 | |
| X-ray photoelectron spectroscopy | Kratos Analytical | Axis Nova | |
| XPS analysis software | Casa Software | Casa XPS | www.casaxps.com |
| Kratos elemental library for use with Casa XPS | Casa Software | Download Kratos Related Files | http://www.casaxps.com/kratos/ |
| Raman dispersive confocal microscope | Thermo | DXR | |
| Field emission scanning electron microscope | Leo | 1530 VP | |
| Sputter coater with iridium target | Cressington | 208 HR | |
| Thickness measurement unit | Cressington | mtm 20 | |
| Magnetic stirrer | Stuart | CD162 | |
| Analytical balance | Kern | ALS 220-4N | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | NewClassic MF MS 2045 | |
| Laboratory balance | Shimadzu | ELB 3000 | |
| Electrodes from 316 stainless steel sheet | RS Components | 559-199 | |
| Sanding sheets, P1000 grade | Norton | No-Fil A275 | |
| Multi-walled carbon nanotubes | Hanwha | CM-95 | http://hcc.hanwha.co.kr/eng/business/bus_table/nano_02.jsp |
| Graphene nanoplatelets | XG Sciences | XGNP Grade C | http://xgsciences.com/products/graphene-nanoplatelets/grade-c/ |
References
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