Karbon Nanotube Dizilerin Islatma Özellikleri Tuning Tedaviler Tavlama Kuru Oksidasyon ve Vakum
Summary
Bu makale KVH'tan dikey hizalanmış karbon nanotüp diziler imal etmek ve akabinde tavlama veya kuru oksidasyon işlemi vakum onları teşhir ederek ıslatma özelliklerini ayarlamak için basit bir yöntem açıklanır.
Abstract
Bu makalede, biz geri dönülebilir dikey hizalanmış karbon nanotüp (CNT) diziler ıslatma özelliklerini ayarlamak için basit bir yöntem tarif. Burada, CNT dizileri gibi tanımlanmıştır yoğun yönelik dik standart termal kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği ile bir gelişme sürecinin bir sonucu olarak büyüme alt tabaka çok-karbon nanotüp paketlenir. 1,2 Bu CNT diziler daha sonra vakum maruz kalır onları daha hidrofobik yapmak veya bunları daha hidrofilik hale getirmek oksidasyon işlemi kurumasını tedavi tavlama. Hidrofilik CNT diziler tedavi tavlama vakum bunları teşhir ederek hidrofobik açılabilir ise hidrofobik CNT diziler, oksidasyon işlemi kurumasını bunları teşhir ederek hidrofilik açılabilir. Hem tedavilerin bir kombinasyonu kullanarak, CNT dizileri art arda nedenle hidrofilik ve hidrofobik. 2 arasında geçiş yapılabilir, böyle bir kombinasyon, birçok endüstriyel ve tüketici uygulamalarında çok yüksek potansiyelini göstermektedirilaç dağıtım sistemi ve yüksek güç yoğunluğu süperkapasitörlerin. 3-5 dahil
CNT dizilerin ıslanabilirlik değiştirmek için anahtar oksijen tutunanlar yüzeyine konsantrasyonu kontrol etmektir. Temelde oksijen tutunanlar herhangi bir oksidasyon tedavi CNT diziler açarak tanıttı olabilir. Burada oksijenli fonksiyonel grupları ile CNT yüzeyine fonksiyonalize gibi oksijen plazma ve UV / ozon gibi kuru oksidasyon tedaviler, kullanın. Bunlar oksijenli fonksiyonel grup hidrofilik CNT oluşturma, form CNT ve su moleküllerinin yüzey arasındaki hidrojen bağı sağlar. Onlara hidrofobik açmak için, adsorplanan oksijen CNT yüzeyden alınmalıdır. Burada oksijen desorpsiyon sürecini başlattığı vakum tavlama işlemi kullanır. Oksijen tutunanlar son derece düşük yüzey konsantrasyon ile CNT dizileri süperhidrofobik davranışlar sergiler.
Introduction
Ayarlanabilir ıslatıcı özelliklere sahip sentetik malzeme giriş kendi kendini temizleme yüzeyleri ve hidrodinamik çekilmesine indirgeme cihazları dahil olmak üzere birçok uygulamada mümkün kılmıştır. 6,7 çoğunluğunun çalışmalar başarılı bir malzemenin ıslanma özelliklerini ayarlamak için olduğunu göstermektedir, onun bir değişiklik ile mümkün olması, yüzey kimyası ve topografik yüzey pürüzlülüğü. 8-11 birçok diğer kullanılabilir sentetik malzemeler arasında, nanoyapılı malzemelerin kendi içsel çoklu ölçekli yüzey pürüzlülüğü ve yüzeyler nedeniyle dikkatini en çekmiştir kolaylıkla yaygın yöntemlerden fonksiyonlandırıldıktan edilebilir. Bu nanoyapılı malzemelerin çeşitli örnekler ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 İTO, 12 ve karbon nanotüpler (CNT) içerir. Biz geri dönülebilir CNT ıslatma özelliklerini ayarlamak için yeteneği kendi erdem olduğuna inanıyorum 15-17 beri onlar gelecekteki uygulamalar için en ümit verici malzemelerden biri olarak kabul edilirFONKSİYONLARIN.
CNT oksidasyon işlemi sırasında ortaya oksijenli fonksiyonel gruplar, bunların yüzeyleri functionalizing ile hidrofilik döndürülebilir. Bugüne kadar, CNT oksijen tutunanlar tanıtmak için en yaygın yöntem, nitrik asit ve hidrojen peroksit gibi kuvvetli asitler ve oksitleyici ajanların kullanımını içeren, iyi bilinen ıslak oksidasyon teknikleridir. 18-20 Bu ıslak oksidasyon teknikleri zordur Çünkü güvenlik ve çevre konularında endüstriyel düzeyde ve oksidasyon süreci tamamlamak için zaman önemli miktarda kadar ölçeklendirilebilir. Buna ek olarak, bir kritik nokta kurutma yöntemi kurutma işlemi sırasında mikroskobik yapı ve CNT dizi, genel uyum tahrip edebilmektedir kılcal basıncı ile var olan etkisini en aza indirmek için Hesaplanan gerekebilir. Örneğin UV / ozon ve oksijen plazma tedavileri gibi Kuru oksidasyon tedaviler, yukarıdakilere oranla daha güvenli, daha hızlı ve daha kontrollü oksidasyon süreci sunuyoruzIslak oksidasyon tedaviler.
CNT yüzeylerinden elde edilen ekli oksijenli fonksiyonel grupların çıkarılması ile hidrofobik yapılabilmektedir. Bugüne kadar, karmaşık süreçleri daima yüksek hidrofobik CNT dizileri üreten katılmaktadırlar. Tipik olarak, bu diziler bu gibi PTFE, ZnO, ve fluoroalkylsilane, 15,21,22 ya da fluor ya da bu gibi CF4 ve CH 4 gibi hidrokarbon plazma muamele ile pasifize edilmesi gibi non-ıslatma kimyasallar ile kaplanmış olması gerekir. Rağmen, 16,23 Yukarıda sözü edilen tedaviler endüstriyel seviyeye kadar ölçeklendirilebilir çok zor değil, onlar geri dönüşümlü değildir. CNT bu tedaviler maruz sonra, artık yaygın oksidasyon yöntemleri ile hidrofilik hale getirilebilir.
Burada sunulan yöntemler CNT diziler ıslanabilirlik kuru oksidasyon ve vakum tavlama tedaviler (Şekil 1) bir kombinasyonu ile sade bir dille ve rahatlıkla ayarlanabilir olduğunu göstermektedir. Oksijen birBu tedaviler ile indüklenen dsorption ve desorpsiyon işlemleri nedeniyle tahribatsız doğa ve diğer kirliliklerin yokluğu oldukça geri dönüşlüdür. Bu nedenle, bu tedaviler CNT dizileri art arda, hidrofilik ve hidrofobik arasında geçiş sağlar. Ayrıca, bu tedavi çok, pratik, ekonomik ve bunlar herhangi bir ticari vakumlu fırın ve UV / ozon ya da oksijen plazma temizleyici kullanarak yapılabilir beri kolayca ölçeklenebilir.
Burada kullanılan dikey hizalanmış CNT diziler standart termal kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği ile yetiştirilen unutmayın. Bu diziler genellikle yükseltilmiş sıcaklıkta habercisi gazlarının karbon içeren bir akış altında bir kuvars tüp fırında katalizör kaplı silikon gofret yüzeylerde yetiştirilmektedir. Dizilerin uzunluğu ortalama büyüme zamanı değiştirerek bir milimetre uzunluğunda birkaç mikrometre değiştirilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu CNT dizisi ve UV radyasyon gücünün uzunluğuna bağlı olarak, birkaç saate kadar bir standart oda sıcaklığında ve basınç altında hava içinde yapılabilir çünkü UV / en uygun oksidasyon teknik olarak ozon tedavisi düşünün. 185 nm ve 254 nm yüksek yoğunluklu cıva buharlı lamba tarafından üretilen UV radyasyonu, UV radyasyonu ile havadan eşzamanlı dönüştürülen ozon, onların yüzey okside izin CNT dış duvarında moleküler bağları koparır. 26,27 oksidasyon süreci CNT yü…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser hibe sayısı 9900600 altında Charyk Vakfı ve Fletcher Jones Vakfı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar minnetle Nanofabrikasyona araçların kullanımı için Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde Kavli Nanobilim Enstitüsü kabul, Moleküler Malzeme Araştırma XPS kullanımı için Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde Beckman Enstitüsü'nün merkezi ve açısı gonyometre başvurun ve Bölümü SEM kullanımı için Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü Jeoloji ve Gezegen Bilimleri.
Materials
| Material Name | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| 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 |
References
- Sansom, E., Rinderknecht, D., Gharib, M. Controlled partial embedding of carbon nanotubes within flexible transparent layers. Nanotechnology. 19, 035302 (2008).
- 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).
- Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
- Aria, A. I., Gharib, M. Effect of Dry Oxidation on the Performance of Carbon Nanotube Arrays Electrochemical Capacitors. MRS Proceedings. 1407, (2012).
- Bianco, A., Kostarelos, K., Prato, M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology. 9, 674-679 (2005).
- 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).
- Rothstein, J. Slip on Superhydrophobic Surfaces. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 89-109 (2010).
- Emsley, J. Very strong hydrogen-bonding. Chemical Society Reviews. 9, 91-124 (1980).
- 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).
- 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).
- Sun, T., et al. Control over the Wettability of an Aligned Carbon Nanotube Film. Journal of the American Chemical Society. 125, 14996-14997 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lau, K., et al. Superhydrophobic carbon nanotube forests. Nano Letters. 3, 1701-1705 (2003).
- Hong, Y., Uhm, H. Superhydrophobicity of a material made from multiwalled carbon nanotubes. Applied Physics Letters. 88, 244101 (2006).
- 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).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of Graphitic Oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).
- Park, S., Ruoff, R. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology. 4, 217-224 (2009).
- 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).
- 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).
- Feng, L., et al. Super-Hydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Advanced Materials. 14, 1857-1860 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sham, M., Kim, J. Surface functionalities of multi-wall carbon nanotubes after UV/Ozone and TETA treatments. Carbon. 44, 768-777 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
