Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

חמצון ואבק יבש חישול טיפולים לכוונון מאפייני ההרטבה של מערכי פחמן

Published: April 15, 2013 doi: 10.3791/50378
Automatic Translation
1, 1
1Graduate Aeronautical Laboratories, California Institute of Technology

Summary

מאמר זה מתאר שיטה פשוטה לפברק מערכי פחמן מיושר אנכי על ידי CVD ולאחר מכן מנגינת נכסי הרטבתם על ידי חשיפתם לואקום חישול או טיפול חמצון יבש.

Abstract

במאמר זה, אנו מתארים שיטה פשוטה הפיכים ללכוון את תכונות ההרטבה של פחמן Nanotube בציר אנכי (CNT) מערכים. כאן, מערכי CNT מוגדרים כצפיפות פחמן רב קירות מאונכים לכיוון מצע הגידול כתוצאה מתהליך צמיחה על ידי התצהיר הסטנדרטי תרמית האדים הכימי (CVD) טכניקה. 1,2 מערכי CNT אלה לאחר מכן נחשפים לואקום חישול טיפול כדי להפוך אותם יותר הידרופובי או לייבוש טיפול חמצון כדי להבהיר להם יותר הידרופילי. מערכי CNT הידרופובי ניתן להפעיל הידרופילי על ידי חשיפתם לייבוש טיפול חמצון, בעוד שניתן הפכו הידרופובי מערכי CNT הידרופילי על ידי חשיפתם לואקום חישול טיפול. באמצעות שילוב של שני הטיפולים, מערכי CNT ניתן להחליף שוב ושוב בין הידרופילי והידרופובי. 2 לכן, שילוב כזה מראה פוטנציאל גבוה מאוד בהרבה יישומים תעשייתיים וצרכניים,כולל מערכת אספקת סמים וsupercapacitors מתח הגבוה צפיפות. 3-5

המפתח ללהשתנות יכולת הרטיבות של מערכי ה-CNT הוא לשלוט על ריכוז פני השטח של adsorbates חמצן. בעיקרון adsorbates חמצן יכול להיות הציג על ידי חשיפה למערכי ה-CNT כל טיפול חמצון. כאן אנו משתמשים בטיפולים יבשים חמצון, כגון פלזמת חמצן וUV / אוזון, functionalize את פני השטח של CNT עם קבוצות פונקציונליות מחומצן. קבוצות פונקציונליות חומץ אלה מאפשרים קשר מימן בין פני השטח של ה-CNT ומולקולות מים ליצירה, עיבוד CNT הידרופילי. כדי להפוך אותם הידרופובי, חמצן adsorbed יש להסיר מפני השטח של ה-CNT. כאן אנו מעסיקים טיפול חישול ואקום כדי לגרום לתהליך desorption חמצן. מערכי ה-CNT עם משטח ריכוז נמוך מאוד של החמצן adsorbates מפגינים התנהגות superhydrophobic.

Introduction

המבוא של חומרים סינטטיים בעלי תכונות הרטבה מתכוננות אפשר יישומים רבים, כולל משטחי ניקוי עצמי והתקנים להפחתת גרר הידרודינמית. 6,7 מחקרים רבים מראים שדיווחו לכוון בהצלחה את מאפייני ההרטבה של חומר, אדם צריך להיות מסוגל להשתנות הכימיה של פני שטח וחספוס פני שטח טופוגרפי. 8-11 בין חומרים זמינים רבים אחרים סינטטיים, חומרי nanostructured משכו את מרבית תשומת הלב בשל החספוס שלהם הטבועים רב גווני פני השטח והשטח שלהם יכולים להיות פונקציונלית בקלות על ידי שיטות מקובלות. מספר דוגמאות לחומרים אלה כוללות nanostructured ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 איטו, 12 וצינורות פחם (CNT). 15-17 אנו מאמינים כי ביכולת הפיכה ללכוון את תכונות ההרטבה של CNT יש כוח משלה מאז שהם נחשבים כאחד החומרים המבטיחים ביותר לעתיד applications.

CNT ניתן להפעיל הידרופילי ידי functionalizing השטח שלהם עם קבוצות פונקציונליות מחומצן, הציגו במהלך טיפול חמצון. נכון להיום, השיטה הנפוצה ביותר להציג adsorbates החמצן לCNT היא טכניקות הרטובות חמצון ידועות, הכוללת שימוש בחומצות חזקות וסוכני חמצון כגון חומצה חנקתית ומי חמצן. 18-20 טכניקות חמצון רטובות אלה הם קשים להיות מדורג עד רמה תעשייתית בגלל בטיחות ואיכות הסביבה והכמות הניכרת של זמן כדי להשלים את תהליך החמצון. בנוסף, שיטת ייבוש נקודה קריטית ייתכן שתצטרך להיות מועסקת על מנת למזער את ההשפעה של כוחות נימים שעלולות להרוס את המבנה המיקרוסקופי ויישור כולל של מערך ה-CNT במהלך תהליך הייבוש. טיפולי חמצון יבשים, כגון UV / אוזון וטיפולי פלזמת חמצן, מציעים תהליך חמצון בטוח יותר, מהיר יותר ומבוקר יותר בהשוואה לאמורהטיפולי חמצון רטובים.

CNT יכול להתבצע הידרופובי על ידי הסרת קבוצות הפונקציונליות חומץ מצורפות מהשטח שלהם. עד כה, תהליכים מסובכים תמיד מעורבים בהפקת מערכי CNT הידרופובי מאוד. בדרך כלל, המערכים האלה צריכים להיות מצופים בכימיקלים שאינן הרטבה, כגון PTFE, ZnO, וfluoroalkylsilane, 15,21,22 או להיות מפויס באמצעות פלואור או פלזמת טיפול פחמימנים, כמו CF4 וCH 4. 16,23 למרות טיפולים הנ"ל הם לא קשים מדי כדי להיות מדורג עד רמה תעשייתית, שהם אינם הפיכים. ברגע CNT נחשף לטיפולים אלה, הם כבר לא יכולים להיות שניתנו הידרופילי באמצעות שיטות חמצון נפוצות.

השיטות שהוצגו במסמך זה עולים כי יכולת הרטיבות של מערכי ה-CNT יכולה להיות מכוונת צורה ישירה ובנוחות באמצעות שילוב של חמצון וואקום טיפולי חישול (איור 1) יבש. חמצןתהליכי dsorption וdesorption הנגרמים על ידי טיפולים אלה הם הפיכים מאוד בגלל האופי הלא ההרסני שלהם והעדר זיהומים אחרים. לפיכך, טיפולים אלה מאפשרים מערכי CNT שעברו שוב ושוב בין הידרופילי והידרופובי. יתר על כן, טיפולים אלה הם מאוד מעשיים וכלכליים, וניתן לשנות בקלות שכן הם יכולים להתבצע באמצעות כל תנור מסחרי ואקום וקרינת UV / אוזון או שואב פלזמת חמצן.

שים לב כי מערכי מיושר אנכי CNT משמשים כאן גדלים על ידי תצהיר הטכניקה הסטנדרטית תרמית האדים הכימית (CVD). מערכים אלה גדלו בדרך כלל על מצעי זרז מצופים סיליקון רקיק בצינור תנור קוורץ תחת זרימה של פחם המכיל גזים מבשרים בטמפרטורה גבוהה. האורך הממוצע של המערכים יכול להיות מגוון מכמה מיקרומטרים למילימטר ארוך על ידי שינוי זמן הצמיחה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Nanotube פחם (CNT) צמיחת מערך

  1. הכן את פרוסות סיליקון בצד מלוטש אחד לפחות. אין דרישה ספציפית בגודל, באורינטצית גבישים, סוג סימום, התנגדות, ועובי שכבת תחמוצת. אנו משתמשים בדרך כלל <100> פרוס סיליקון מסוג n מסומם בזרחן, בקוטר של 3 סנטימטר, עובי של 381 מיקרומטר, והתנגדות של Ωcm 5-10. בדרך כלל פרוסות סיליקון זה יש שכבת תחמוצת תרמית בעובי של 300 ננומטר.
  2. אם פרוסות סיליקון המוכנות אין שכבת תחמוצת, להוסיף שכבת תחמוצת בעובי של 300 ננומטר בצד המלוטש של פרוסות סיליקון. שכבת תחמוצת זו ניתן לגדל תרמית או שהופקדה על ידי השיקוע פיזי (PVD), רצוי להשתמש במאייד אלקטרוני קורה.
  3. להפקיד תחמוצת אלומיניום (Al 2 3 O) שכבת חיץ בצד המלוטש של פרוסות סיליקון בעובי ממוצע של 10 ננומטר. הפקדה באמצעות מאייד אלקטרוני קורה בתצהיר שיעור ממוצע של 0.5 &Aring ;/ שנייה היא מועדפת. השתמש כדורי תחמוצת אלומיניום עם טוהר של 99.99% ומעלה.
  4. להפקיד שכבת ברזל (Fe) זרז בצד המלוטש של פרוסות סיליקון בעובי ממוצע של 1 ננומטר. מאז את האחידות של שכבת החיץ הזה היא קריטית ביותר, בתצהיר באמצעות מאייד אלקטרוני קורה בתצהיר שיעור ממוצע של 0.3 A / שניות או פחות עדיף. השתמש כדוריות ברזל עם טוהר של 99.95% ומעלה.
  5. לחתוך לקוביות את פרוסות סיליקון הזרז המצופות בשבבים מרובים קטנים יותר, רצוי לתוך דגימות סנטימטר 1x1.
  6. טען כמה שבבי סיליקון מצופים זרז לתוך כבשן 1 אינץ קוטר צינור קוורץ (איור 2).
  7. להגדיל את הטמפרטורה של התנור ל 750 מעלות צלזיוס תחת זרם בלתי פוסק של 400 גז SCCM ארגון (Ar) בלחץ של 600 Torr.
  8. ברגע שטמפרטורת הגידול של 750 ° C הוא הגיע, להתחיל בתהליך הטיפול המקדים בזרימת תערובת של גז 200 SCCM ארגון ומימן SCCM 285 (H 2) גז, תוך שמירה על tהוא לחץ מתמיד ב 600 Torr. הפעל את תהליך הטיפול המקדים למשך 5 דקות.
  9. לאחר סיום תהליך הטיפול המקדים הסתיים, מתחיל תהליך הצמיחה בזרימת תערובת של גז מימן 210 SCCM ואתילן SCCM 490 (2 ג H 4) גז, תוך שמירה על הלחץ קבוע ב 600 Torr. הפעל את תהליך הצמיחה של עד שעה אחת, תוך שמירה על טמפרטורת הגידול מתמיד ב 750 ° C. האורך של מערכי ה-CNT נקבע לפי זמן הצמיחה. מערכי ה-CNT עם אורך ממוצע של מילימטר אחד יכולים להיות מושגת על ידי גידולם למשך שעה אחת. 2
  10. תביא את הטמפרטורה של התנור בחזרה לטמפרטורת חדר תחת זרימה מתמדת של גז 400 SCCM ארגון בלחץ של 600 Torr. לפרוק את דגימות פעם אחת את הטמפרטורה של התנור מגיעה לטמפרטורת חדר.
  11. לאפיין את מאפייני הצמיחה הכוללים, כולל איכות צמיחה, אורך, קוטר וצפיפות אריזה, על ידי מיקרוסקופי אלקטרונים.

2. Adsor חמצןאזרחית מושרה על ידי UV / טיפול אוזון

  1. הנח מספר דוגמאות של מערך ה-CNT מתחת לפנס בעצמה גבוה האד כספי שיוצר קרינת UV באורך גל של 185 ננומטר ו 254 ננומטר. דגימות אלה צריכות להיות ממוקמים במרחק של 5 - 20 סנטימטרים מהמנורה. שואב מסחרי UV / אוזון יכול לשמש כתחליף (איור 3).
  2. לחשוף מערכים אלו לקרינת UV באוויר בטמפרטורת חדר ובלחץ סטנדרטי. זמן החשיפה הכוללת תלוי בתכונותיהם הפיזיות, את הכח של קרינת UV, ומידת יכולת הרטיבות שרוצה להשיג. כקירוב, זה לוקח בערך 30 דקות של קרינת UV ב 100/2 סנטימטר mW כדי לעבור 15 מערך ה-CNT מיקרומטר גבוה לחלוטין מsuperhydrophobic לsuperhydrophilic.
  3. מדוד את זווית המגע סטטית של מערכי UV / אוזון טופל CNT למים באמצעות goniometer זווית מגע. פרוטוקול לביצוע מדידה זו מתואר בסעיף 5.
  4. מחדש לחשוף את מערכי ה-CNT לanotסבבה טיפול UV / אוזון אם הם לא מספיק הידרופילי.
  5. לאפיין את הכימיה של פני השטח של מערך UV / אוזון טופל CNT ידי ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן.

3. חמצן ספיחה הנגרם על ידי טיפול פלזמת חמצן

  1. הנח מספר דוגמאות של מערך ה-CNT בלשכת שואב פלזמת חמצן / אשר / חרט (איור 4). שואב מרחוק חמצן פלזמה / אשר / חרט עדיף מזו הישירה בגלל אופי איזוטרופי.
  2. הגדר את קצב זרימת החמצן ל150 SCCM והלחץ הקאמרי עד 500 mTorr. הגדר את כוח RF עד 50 ואט.
  3. לחשוף מערכים אלו לפלזמת חמצן במשך מספר דקות. זמן החשיפה הכוללת תלוי בתכונות הפיזיות שלהם ומידת יכולת הרטיבות שרוצה להשיג. טיפול יש לקחת בגלל פלזמת חמצן היא מאוד מסוגלת חמצון לחלוטין CNT לתוך 2 מולקולות CO ו-CO. כקירוב, את זה צריך לקחת פחות מ 30 מייליםn כדי לעבור מערך CNT גבוה מילימטר אחד לחלוטין מsuperhydrophobic לsuperhydrophilic.
  4. מדוד את זווית המגע סטטי של פלזמת החמצן טופלה מערכי CNT למים באמצעות goniometer זווית מגע. פרוטוקול לביצוע מדידה זו מתואר בסעיף 5.
  5. מחדש לחשוף את מערכי ה-CNT לסיבוב נוסף של טיפול פלזמת חמצן אם הם לא מספיק הידרופילי.
  6. לאפיין את הכימיה של פני השטח של פלזמת החמצן טופלה על ידי מערך ה-CNT ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן.

4. Desorption חמצן הנגרם על ידי טיפול אבק חישול

  1. הנח מספר דוגמאות של מערך ה-CNT בתא של תנור ואקום (איור 5).
  2. הפחת את הלחץ לתא לפחות 2.5 Torr.
  3. הגדל את טמפרטורת החדר עד 250 מעלות צלזיוס ומעלה.
  4. לחשוף מערכים אלו לשאוב טיפול חישול במשך כמה שעות. זמן החשיפה הכוללת תלוי בתכונות הפיזיות שלהם ואתמידת יכולת הרטיבות שרוצה להשיג. כקירוב, זה לוקח לפחות 3 שעות כדי לעבור לחלוטין מערך ה-CNT גבוה מיקרומטר 15 מsuperhydrophilic לsuperhydrophobic ויותר מ 24 שעות כדי להמיר מערך CNT גבוה מילימטר אחד מsuperhydrophilic לsuperhydrophobic.
  5. מדוד את זווית המגע סטטי של ואקום annealed מערכי CNT למים באמצעות goniometer זווית מגע. פרוטוקול לביצוע מדידה זו מתואר בסעיף 5.
  6. מחדש לחשוף את המערכים לסיבוב נוסף של ואקום חישול טיפול אם הם לא מספיק הידרופובי.
  7. לאפיין את הכימיה של פני השטח של ואקום annealed מערך CNT ידי ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן.

5. הרטבת אפיון מאפיינים

  1. הכן goniometer זווית מגע. מלא הרכבת microsyringe עם מי deionized. מזרק זה חייב להיות מצויד במחט 22 מד שטוח שקצו ישר או מחט קטנה יותר. הפעל את מקור האור. הנח מדגם של מערך ה-CNT על שולחן מדגם goniometer זווית המגע. ודא מדגם זה אינו מוטה בכיוון אחד.
  2. הבא הרכבת microneedles קרוב יותר לדוגמה ולוותר טיפת מי μl 5 על פני שטח עליונים של מערך ה-CNT לאט.
  3. ללכוד תמונה של טיפת המים ברגע שהוא הגיע למנוחה על המשטח העליון של מערך ה-CNT. ודא מצב שיווי משקל שהושג לפני שלקח את התמונה.
  4. חשבו את זווית המגע על ידי עיבוד התמונה שצולמה עם תוכנה ייעודית כגון DROPimage ידי rame-hart או LBADSA 24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שיטת CVD תוארה לעיל תוצאות במערכים צפופים מיושר אנכי רבי חומה CNT בעלי קוטר, מספר אופייני לקיר, ומרווח-Nanotube בין של כ 12-20 ננומטר, 8-16 קירות, ו40-100 ננומטר, בהתאמה. האורך הממוצע של המערכים יכול להיות מגוון מכמה מיקרומטרים ארוכים (איור 6 א) לעוד מילימטר (איור 6 ב) על ידי שינוי זמן הצמיחה מ 5 דקות לשעה 1 בהתאמה. בדרך כלל היישור האנכי הוא טוב בקנה מידה גדול יותר ואורך כמה הסתבכויות להציג בקנה מידה קטן יותר אורך 1.

לאחר שנחשף לקרינת UV / אוזון או פלזמת טיפול חמצן, מערכי CNT הפכו הידרופילי והם יכולים להיות הורטבו במים. חשיפה ממושכת לטיפולים אלה הופכת את מערכי superhydrophilic CNT, מסומן בזווית שלהם הנמוכה מאוד סטטית המגע של פחות מ 30 מעלות. מאז מערכי CNT superhydrophilic אלה ניתן הורטבו בקלות רבה מאוד watאה, הם מראים הצבע השחור המקורי שלהם כל פעם שהם נמצאים שקועים לחלוטין במים (איור 7).

לאחר שנחשף לואקום חישול טיפול, מערכי CNT הפכו הידרופובי והם לא יכולים להיות רטובים בקלות על ידי מים. חשיפה ממושכת לטיפול זה הופכת superhydrophobic מערכי ה-CNT, שצוין על ידי הזווית שלהם הגבוהה מאוד סטטית הקשר של יותר מ 150 מעלות. מאז מערכי CNT superhydrophobic אלה דוחה מים בצורה חזקה מאוד, הם מופיעים בכל פעם שהם רעיוניים ששקועים לחלוטין במים בשל נוכחותם של סרטי אוויר דקים על פני השטח שלהם (איור 7).

יחס פשוט חמצון זמן עצמאי ניתן לצפות מעלילה של יחס חמצן לפחמן אטומי (יחס O / C) של מערכי ה-CNT לזווית מגע סטטי. יחס O / C, תואם את מידת החמצון של מערך ה-CNT, ניתן לחשב פסגות 1s 1s C O והשיגעל ידי x-ray ספקטרוסקופיה Photoelectron (XPS). יחס O / C יורד ככל שהזווית סטטית הקשר של עליות המערך, שבו יחס O / C של מערכי ה-CNT superhydrophilic גבוה מ 15% וזה של מערכי ה-CNT superhydrophobic נמוך מ% 8 (איור 8 א). שים לב שיחס O / C של מערכי ה-CNT superhydrophobic הוא לא אפס, טוען כי כמות קטנה של חמצן לא ניתן להסירו בקלות על ידי ואקום חישול טיפול.

Deconvolution של ספקטרום XPS ברזולוציה הגבוה באנרגית הקשר של 283-293 eV מציג ארבע פסגות נפרדות, עם שיא אחד עיקרי הקשורים בנוכחות של 2 1 אג"ח sp CC s (~ 284.9 eV) ושלוש פסגות משתיים הקשורים בנוכחות של הידרוקסיל C-OH (~ 285.4 eV), קרבוניל C = O (~ 287.4 eV), וcarboxyl-COOH (~ 289.7 eV) קבוצות פונקציונליות. 20,25 כמערכי CNT לעבור טיפול חמצון יבש, הם הופכים להיות יותר הידרופילי, ואת כל השיאים הקשורים עם C-OH, C = O וקבוצות-COOH הופכות לבולטות יותר (איור 8 ב). בזמן חשיפה ארוכה יותר, ריכוז השטח של C = O קבוצות יורד מעט בזמן ששל C-OH-COOH וקבוצות ממשיך להגדיל (8c איור). מצד השני, הסכום של C-OH, C = O ו-COOH קבוצות יורד לאחר ואקום חישול טיפול (איור 8 ד). קיומה של פסגות אלה מצביע על כך שואקום חישול טיפול אינו מסיר לחלוטין adsorbates חמצן ממערכי ה-CNT, למרות שמערכים אלה נמצאים להיות superhydrophobic.

איור 1
איור 1. תכונות הרטבה של מערכי ה-CNT יכולות להיות מגוונות באמצעות שילוב של UV / אוזון או פלזמת טיפול חמצן וטיפול ואקום חישול. חמצן ספיחה מתרחשת במהלך UV / אוזון או פלזמת טיפול חמצן תוך desorption חמצן מתרחש במהלך טיפול ואקום חישול. מערכי ה-CNT להיות יותר הידרופילי לאחר שנחשף לקרינת UV / אוזון או פלזמת טיפול חמצן ויותר הידרופובי לאחר שנחשף לואקום חישול טיפול. לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 2
איור 2. תנור 1 סנטימטר קוטר צינור קוורץ, מצויד בזרימה המונית דיגיטלית ובקרי לחץ, לצמיחת מערך ה-CNT.

איור 3
איור 3. שואב מסחרי UV / אוזון משמש לעיבוד מערכים הידרופילי ידי functionalizing עם קבוצות פונקציונליות חומץ CNT.

תוכן "fo: לשמור-together.within עמודים =" תמיד "> איור 4
איור 4. שואב פלזמת חמצן מסחרי ישמש עילה למערכים הידרופילי ידי functionalizing עם קבוצות פונקציונליות חומץ CNT.

איור 5
איור 5. תנור ואקום מסחרי המשמש להחדרת תהליך desorption חמצן על מערך ה-CNT, כך שהם הופכים ליותר הידרופובי.

איור 6
איור 6. הגדלה נמוכה SEM תמונות של מערך ה-CNT באורך ממוצע של 15 מיקרומטר (א) ו 985 מיקרומטר (ב).

איור 7
Figurדואר 7. דימוי של שני מערכי CNT בעלי תכונות מנוגדות הרטבה שקועה לחלוטין במים. המערך הידרופילי מאוד UV / אוזון טופל CNT (§) מראה הצבע השחור המקורי תוך מערך superhydrophobic ואקום annealed CNT (‡) מופיע רעיוני בשל נוכחותם של סרט אוויר דק על פני השטח שלו.

איור 8
איור 8. עלילה של חמצן ליחס אטומי הפחמן (יחס O / C) של מערכי ה-CNT כפונקציה של זווית המגע סטטי למים, באזור מוצל מציינת משטר superhydrophobic (א). יחס O / C יכול מחושב מפסגות 1s 1s C O ומתקבל על ידי XPS. Deconvolution של ספקטרום XPS רזולוציה גבוהה של שיא C 1s של מערך ה-CNT מעט הידרופילי (ב), מערך ה-CNT הידרופילי ביותר (ג) (ד).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אנו רואים סגולים / טיפול באוזון, כטכניקת חמצון הנוח ביותר, כי זה יכול להיות מבוצע באוויר בטמפרטורת חדר ובלחץ סטנדרטי לעד כמה שעות, תלוי באורך של מערך ה-CNT וכוחה של קרינת UV. קרינת UV, שנוצרה על ידי מנורה בעצמה גבוהה אד כספית ב 185 ננומטר ו 254 ננומטר, שוברת את הקשרים המולקולאריים שעל הקיר החיצוני של CNT מאפשר אוזון, הוסב זמנית מאוויר על ידי קרינת UV, לחמצן פני השטח שלהם. 26,27 תהליך החמצון תחנות אחת משטחי CNT הם פונקציונליים לחלוטין, מניעת CNT שמתחמצן לחלוטין לתוך 2 מולקולות CO ו-CO.

לעומת זאת, טיפול בפלזמת חמצן צריך להתבצע בחדר מיוחד בלחץ מופחת וקצב זרימת חמצן קבוע. בדרך כלל, פלזמת חמצן נוצרה מרחוק מתחת ל 50 ואט RF ומועברת בקצב קבוע זרימה של 150 SCCM והקאמרי pressurדואר של 500 mTorr במשך כמה דקות. למרות טיפול פלזמת חמצן מאפשר תהליך חמצון הרבה יותר מהר, טיפול יש לקחת כי זה מאוד מסוגל חמצון לחלוטין CNT לתוך 2 מולקולות CO ו-CO. .

טיפולי פלזמת UV / אוזון וחמצן כבר מועסקים בהצלחה functionalize את פני השטח של CNT עם קבוצות פונקציונליות חומץ. 26-31 עם זאת, אף אחת מהשיטות הללו פורסמו כבר בוצעו בעבר על מערכי ה-CNT. למרות ששיטת החמצון המתואר כאן היא דומה לשיטות שפורסמו אלה, מותאמים במיוחד למערכי ה-CNT, לא אבקות CNT. שיטה נוכחית זה מנצל חשמל נמוך UV מנורת הקרנה וכוח מחולל פלזמה כדי לשמור על קצב ספיחת החמצן נמוך. שיעור כה נמוך ספיחת חמצן הוא חיוני כדי להבטיח כי התהליך מתרחש באופן אחיד על פני functionalization מדגם מערך CNT מבלי לפגוע בם. לכן, בפעם החמצון למערכי ה-CNT היא בדרך כלל ארוכה יותר הכי CNT לאבקות.

טיפול ואקום חישול מועסק לגרום תהליך desorption חמצן ללא שימוש בסוכני הפחתה קשה. טיפול ואקום חישול מבוצע בואקום קל של כ -2.5 Torr וטמפרטורה מתונה של כ 250 מעלות צלזיוס במשך כמה שעות תימצא מספיק כדי deoxidize מערכי CNT.

Hydrophilicity פני השטח של UV / אוזון ופלזמת חמצן טופלה מערכי CNT נמצא להיות יציב באוויר בטמפרטורת חדר סטנדרטית ליותר מ 2 חודשים. מצד השני, hydrophobicity פני השטח של מערכי ואקום annealed CNT נמצא להיות יציב באוויר בטמפרטורת חדר סטנדרטית עבור רק 3 שבועות. מערכים אלה ואקום annealed CNT הדרגה מאבדים hydrophobicity עד שהם הופכים מעטים הידרופילי. עם זאת, את מערכי ה-CNT superhydrophobic מיוצרים על ידי טיפול ואקום חישול נמצאים להישאר superhydrophobic לאחסון יותר מ 2 חודשים באוויר בחדר הסטנדרטי temperatיור.

כאן הראינו שיכולת הרטיבות של מערכי ה-CNT יכולה להיות מכוונת דרך שילוב של חמצון וואקום יבש חישול טיפולים. עם זאת, טיפולים אלה יש מגבלה עיקרית אחת. שניהם חמצון וואקום יבש חישול טיפולים לבצע גרוע במערכי ה-CNT באיכות נמוכות. באופן כללי, מערכי CNT איכות נמוכות מוגדרים כאלה עם כמות גבוהה של מזהמי מתכת או ציפויי פחמן אמורפי. שכבות התחמוצת על מזהמי המתכת לעכב עוד יותר חמצן ספיחה, עיבוד תהליך החמצון לfunctionalize CNT מבלי לפגוע המבנה שלהם אינו ישים. בנוסף, שכבות תחמוצת אלו הן מטבע הידרופילי ויכולות רק להסיר על ידי חשיפה לסוכן צמצום, לא על ידי ואקום חישול טיפול. בדומה לכך, החוסר משתלשל אג"ח בציפויי פחמן אמורפי גורם להם הידרופילי טבעי, כזה שהם לא יכולים להיות מופעלים רק על ידי הידרופובי ואקום חישול טיפול. לכן, אלה באיכות הנמוכה CNT המערכים arדואר קשה מאוד להיות מופעל הידרופובי ידי ואקום חישול טיפול.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

כל המחברים מצהירים שאין לנו ניגוד העניינים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי קרן Charyk ופלטשר ג'ונס הקרן תחת מספר המענק 9900600. החוקרים מכירים תודה עמוק על קאוולי הנו המכון במכון טכנולוגי של קליפורניה לשימוש של מכשירי nanofabrication, מרכז המולקולרי חומרי המחקר של מכון Beckman במכון טכנולוגי של קליפורניה לשימוש של XPS ופנה goniometer זווית, והאגף מדעי גיאולוגיה והפלנטרית של המכון טכנולוגי של קליפורניה לשימוש במנועי החיפוש.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Lindberg Blue M Mini-Mite tube furnace Thermo Scientific TF55030A 1" tube furnace for CNT array growth
Electronic mass flow controllers MKS PFC-50 πMFC Max flow rate of 1000 sccm
Electronic pressure controller MKS PC-90 πPC Max pressure of 1000 Torr
1" quartz tube MTI Corp. >EQ-QZTube-25GE-610 1" D x 24" L
Hydrogen gas Airgas HY UHP200 CNT array growth precursor gas, 99.999% purity
Ethylene gas Matheson G2250101 CNT array growth precursor gas, 99.999% purity
Argon gas Airgas AR UHP200 CNT array growth precursor gas, 99.999% purity
Silicon wafer El-Cat 2449 With 300 nm polished thermal oxide layer
Iron pellets Kurt J Lesker EVMFE35EXEA 99.95% purity
Aluminum oxide pellets Kurt J Lesker EVMALO-1220B 99.99% purity
E-beam evaporator CHA Industries CHA Mark 40 For buffer and catalyst layer deposition
UV/ozone cleaner BioForce Nanosciences ProCleaner Plus For oxidizing CNT array
Oxygen plasma cleaner PVA TePla M4L For oxidizing CNT array
Vacuum oven VWR 97027-664 For deoxidizing CNT array
SEM Zeiss 1550 VP For CNT array growth characterization
XPS Surface Science M-Probe For surface chemistry characterization
Contact angle goniometer ramé-hart Model 190 For wetting properties characterization

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sansom, E., Rinderknecht, D., Gharib, M. Controlled partial embedding of carbon nanotubes within flexible transparent layers. Nanotechnology. 19, 035302 (2008).
  2. Aria, A. I., Gharib, M. Reversible Tuning of the Wettability of Carbon Nanotube Arrays: The Effect of Ultraviolet/Ozone and Vacuum Pyrolysis Treatments. Langmuir. 27, 9005-9011 (2011).
  3. Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
  4. Aria, A. I., Gharib, M. Effect of Dry Oxidation on the Performance of Carbon Nanotube Arrays Electrochemical Capacitors. MRS Proceedings. 1407, (2012).
  5. Bianco, A., Kostarelos, K., Prato, M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology. 9, 674-679 (2005).
  6. Scardino, A. J., Zhang, H., Cookson, D. J., Lamb, R. N., Nys, R. d The role of nano-roughness in antifouling. Biofouling: The Journal of Bioadhesion and Biofilm Research. 25, 757-767 (2009).
  7. Rothstein, J. Slip on Superhydrophobic Surfaces. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 89-109 (2010).
  8. Emsley, J. Very strong hydrogen-bonding. Chemical Society Reviews. 9, 91-124 (1980).
  9. Bhushan, B., Jung, Y., Koch, K. Micro- nano- and hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion. Philosophical Transactions - Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 367, 1631-1672 (2009).
  10. Krupenkin, T., Taylor, J., Schneider, T., Yang, S. From rolling ball to complete wetting: The dynamic tuning of liquids on nanostructured surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
  11. Sun, T., et al. Control over the Wettability of an Aligned Carbon Nanotube Film. Journal of the American Chemical Society. 125, 14996-14997 (2003).
  12. Ebert, D., Bhushan, B. Transparent, Superhydrophobic, and Wear-Resistant Coatings on Glass and Polymer Substrates Using SiO2, ZnO, and ITO Nanoparticles. Langmuir. 28, 11391-11399 (2012).
  13. Feng, X., et al. Reversible Super-hydrophobicity to Super-hydrophilicity Transition of Aligned ZnO Nanorod Films. Journal of the American Chemical Society. 126, 62-63 (2003).
  14. Xu, L., Karunakaran, R. G., Guo, J., Yang, S. Transparent, Superhydrophobic Surfaces from One-Step Spin Coating of Hydrophobic Nanoparticles. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 1118 (2012).
  15. Lau, K., et al. Superhydrophobic carbon nanotube forests. Nano Letters. 3, 1701-1705 (2003).
  16. Hong, Y., Uhm, H. Superhydrophobicity of a material made from multiwalled carbon nanotubes. Applied Physics Letters. 88, 244101 (2006).
  17. Lee, C. H., Johnson, N., Drelich, J., Yap, Y. K. The performance of superhydrophobic and superoleophilic carbon nanotube meshes in water-oil filtration. Carbon. 49, 669-676 (2011).
  18. Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of Graphitic Oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).
  19. Park, S., Ruoff, R. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology. 4, 217-224 (2009).
  20. Peng, Y., Liu, H. Effects of Oxidation by Hydrogen Peroxide on the Structures of Multiwalled Carbon Nanotubes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 45, 6483-6488 (2006).
  21. Huang, L., et al. Stable superhydrophobic surface via carbon nanotubes coated with a ZnO thin film. The Journal of Physical Chemistry. B. 109, 7746-7748 (2005).
  22. Feng, L., et al. Super-Hydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Advanced Materials. 14, 1857-1860 (2002).
  23. Cho, S., Hong, Y., Uhm, H. Hydrophobic coating of carbon nanotubes by CH4 glow plasma at low pressure, and their resulting wettability. Journal of Materials Chemistry. 17, 232-237 (2007).
  24. Stalder, A., Kulik, G., Sage, D., Barbieri, L., Hoffmann, P. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects. , 286-2892 (2006).
  25. Naseh, M. V., et al. Fast and clean functionalization of carbon nanotubes by dielectric barrier discharge plasma in air compared to acid treatment. Carbon. 48, 1369-1379 (2010).
  26. Mawhinney, D. Infrared spectral evidence for the etching of carbon nanotubes: Ozone oxidation at 298 K. Journal of the American Chemical Society. 122, 2383-2384 (2000).
  27. Sham, M., Kim, J. Surface functionalities of multi-wall carbon nanotubes after UV/Ozone and TETA treatments. Carbon. 44, 768-777 (2006).
  28. Banerjee, S., Wong, S. Rational sidewall functionalization and purification of single-walled carbon nanotubes by solution-phase ozonolysis. The Journal of Physical Chemistry. B. 106, 12144-12151 (2002).
  29. Xu, T., Yang, J., Liu, J., Fu, Q. Surface modification of multi-walled carbon nanotubes by O2 plasma. Applied Surface Science. 253, 8945-8951 (2007).
  30. Felten, A., Bittencourt, C., Pireaux, J. J., Van Lier, G., Charlier, J. C. Radio-frequency plasma functionalization of carbon nanotubes surface O2, NH3, and CF4 treatments. Journal of Applied Physics. 98, 074308 (2005).
  31. Chen, C., Liang, B., Ogino, A., Wang, X., Nagatsu, M. Oxygen Functionalization of Multiwall Carbon Nanotubes by Microwave-Excited Surface-Wave Plasma Treatment. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7659-7665 (2009).

Tags

כימיה גיליון 74 הנדסה כימית הנדסת חומרים ננוטכנולוגיה הנדסה פחם פחמן הפחתת חמצון מאפייני פני שטח צינורות פחמן (סינתזה ונכסים) Nanotube פחם יכולת רטיבות הידרופילי הידרופובי UV / אוזון פלזמת חמצן אבק חישול
חמצון ואבק יבש חישול טיפולים לכוונון מאפייני ההרטבה של מערכי פחמן
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aria, A. I., Gharib, M. Dry… More

Aria, A. I., Gharib, M. Dry Oxidation and Vacuum Annealing Treatments for Tuning the Wetting Properties of Carbon Nanotube Arrays. J. Vis. Exp. (74), e50378, doi:10.3791/50378 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter