تقسیم بندی فناوری نانو در شاخه ها و رشته های مختلف بیشتر مربوط به کاربرد محصولات این فناوری در هر رشته می باشد. بطور کلی استفاده از فناوری نانو برای تولید مواد با بهره بالا عبارت از ایجاد یک شرایط کاملا کنترل شده و دقیق و استفاده از این شرایط برای چیدمان منظم اتمها و تولید مواد در مقیاس نانو می باشد. بنابراین نمی توان این فناوری را منحصر به رشته علمی خاصی نمود. فناوری نانو در آینده به طرق گوناگونی وارد زندگی بشر خواهد شد. از قبیل نقش فناوری نانو در بکارگیری پیلهای سوختی این فناوری مانند فناوری هایی از قبیل اینترنت ، موتورهای احتراق داخلی و الکتریسیته تاثیری گسترده و نامحدود بر روی جامعه بشری خواهد گذاشت. فولرن ، نانولوله های کربنی ، نانو مواد پلیمری ، نانوخوشه ها و ... مواردی هستند که در مقوله های شیمی ، انرژی و محیط زیست صنایع گوناگون کاربرد فراوانی دارند که در ادامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
نانولوله های کربنی
شکلهای جدید کربن ، نانولوله ها و فولرن هستند. فولرن یک مولکول بسته با اتمهای کربن چند وجهی کروی یا تقریبا کروی است. بهترین مثال شناخته شده C60 می باشد. که شامل دوازده حلقه پنج وجهی و بیست حلقه شش وجهی است. (شکل 1) نانولوله های کربنی ، لوله هایی کاملا مستقیم با قطر در حد نانومتر و خواص نزدیک به خواص الیاف ایده آل گرافیت هستند. نانولوله ها می توانند به صورت چند لایه ای یا تک لایه ای باشند. یک تصویر TEM از نانولوله کربنی چند لایه ای در شکل 2 نشان داده شده است ، که نانولوله گرافیت بوسیله لوله مرکزی محدود شده است و ساختمان نانولوله شکل یافته بوسیله دو سیلندر گرافیتی هم مرکز را نشان می دهد.
سنتز نانولوله های چند لایه ای
نانولوله های کربنی چند لایه بوسیله برخورد arc بین الکترودهای گرافیت تهیه می گردد. نانولوله های کربنی همچنین می توانند بوسیله الکترولیز نمکهای هالید ذوب شده با الکترودهای کربن تحت اتمسفر آرگن تولید شود. همچنین با تجزیه هیدروکربن ها مانند استیلن تحت شرایط خنثی و دمای 700 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیست تهیه گردد. حضور ذرات فلزات واسطه برای تشکیل نانولوله بوسیله فرایند پیرولیز ضروری است و قطر نانولوله بوسیله اندازه ذرات فلز تعیین می شود.
سنتز نانولوله های چند لایه ای
نانولوله های کربنی چند لایه بوسیله برخورد arc بین الکترودهای گرافیت تهیه می گردد. نانولوله های کربنی همچنین می توانند بوسیله الکترولیز نمکهای هالید ذوب شده با الکترودهای کربن تحت اتمسفر آرگن تولید شود. همچنین با تجزیه هیدروکربن ها مانند استیلن تحت شرایط خنثی و دمای 700 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیست تهیه گردد. حضور ذرات فلزات واسطه برای تشکیل نانولوله بوسیله فرایند پیرولیز ضروری است و قطر نانولوله بوسیله اندازه ذرات فلز تعیین می شود.
سنتز نانولوله های کربنی تک دیواره
روشهای سنتز نانولوله های کربنی تک دیواره متنوع بوده و از میان آنها می توان به :
الف) تخلیه قوس الکتریکی (arc discharge)
ب) تبخیر لیزری (laser vaporization)
ج) رسوب گذاری شیمیایی – حرارتی بخار (Thermal Chemical Vapor Deposition , TCVD)
د) رسوب گذاری شیمیایی – پلاسمائی بخار (Plasma CVD)
ه ) رسوب گذاری شیمیایی مایکروویو بخار (Microwave CVD)
و) سنتز الکتروشیمیایی
نانولوله ها در موارد زیر در محدوده صنعت برق و انرژی کاربرد دارند.
کاربرد نانولوله ها در جذب گاز
اتمهای نانولوله های کربنی به نحوی کنار هم چیده شده اند که عملا امکان عبور بدون اصطکاک مولکولهای گاز را فراهم می آورند. از نظر تئوری سطح صاف این مواد باعث می شود که میزان عبور گاز از درون آنها به مراتب بیشتر از غشاهای ریز حفره که برای جداسازی گاز مورد استفاده قرارمی گیرند ، باشد. نانولوله هایی که با اندازه مناسب تولیدمی شوند می توانند با صرف انرژی کمتر و بدون نیاز به افزایش فشار ، گازهای آلوده کننده مثل CO2 را به صورت انتخابی از گازهای حاصل از احتراق بزدایند. از طرفی نانولوله ها دارای کانالهایی در ابعاد نانو هستند که امکان جذب گازها را دارند. در واقع نانولوله های تک لایه ای مواد ریز حفره خوبی با مساحت سطح حدود m2/gr 400 می باشند.
آزمایشهای انجام شده برای جذب N2 و O2 نشان می دهد که اصلاح گرمایی هوایی در دمای 350 درجه سانتیگراد دو انتهای کربن نانولوله را باز کرده و ظرفیت جذب آنها را به دو برابر افزایش می دهد. تحقیقات نشان می دهد که جذب در سطح خارجی نانولوله های (ته بسته) صورت می گیرد. با اینحال وقتی که دو انتهای نانولوله باز باشد مولکولهای گاز فقط پس از اشباع سطح داخلی بر روی سطح خارجی جذب می شوند. مطالعه دیگری اثر تکنیک های لیچینگ اسیدی برای تهیه نانولوله های تک لایه خالص را بررسی نموده اند نانولوله های تک لایه اصلاح شده ظرفیت جذب گاز بیشتری نسبت به موارد اصلاح نشده دارند.
نانولوله ها بعنوان حسگر گاز
خواص انتقال الکترون در نانولوله های کربنی آنها را نسبت به پدیده های سطحی حساس نموده است. بعنوان مثال عیوب موضعی ساختمانی و حضور اجزاء جذب شده بر روی سطح نانولوله های کربنی را بعنوان موادی ایده آل جهت توسعه سنسورهای گاز معرفی می کند. برخلاف حسگرهای معمولی مورد استفاده برای گازهای NO2 و NH3 که فقط در دماهای بالای 250 درجه سانتیگراد عمل می کنند ، حسگرهای پایه نانولوله کربنی می توانند در دمای محیط هم کار کنند.
همچنین آنها مزایایی نظیر برگشت پذیری ، حساسیت بالا و زمان پاسخ کمتر را دارا می باشند. تحقیقات انجام شده نشان می دهد هر دو نوع نانولوله های تک لایه و چند لایه قابلیت استفاده بعنوان یک حسگر قابل اطمینان را دارند.
کاربرد نانولوله ها در ذخیره سازی هیدروژن
هیدروژن یک سوخت ایده آل و یک حامل انرژی قابل توجهی می باشد که می توان مزایای آن را به صورت زیر برشمرد :
تولید آسان ، سهولت حمل و نقل ، قابلیت تبدیل آسان به صورتهای دیگر انرژی ، کارایی ، عدم ایجاد آلودگی زیست محیطی هیدروژن بعنوان یک سوخت تمیز که تنها محصول احتراق آن آب است می تواند برای تولید انرژی با بهره بالا در پیل های سوختی بکار رود. با این حال سیستم ذخیره سازی هیدروژن مهمترین مانع فنی در توسعه پیلهای سوختی مستقیم می باشد ، استفاده از نانولوله ها بعنوان یک فناوری جدید برای ذخیره سازی هیدروژن اخیرا مورد نظر قرار گرفته است. در نانولوله های کربنی اتمهای کربن با نیروی واندروالس به یکدیگر متصل شده اند. این نیروها مولکولهای هیدروژن را در ساختمان مولکولی کربن جذب نموده و قابلیت ذخیره سازی هیدروژن را بیش از روشهای متداول به این مواد می دهند
شامل 100 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق کابردهای فناوری نانو در محیط زیست و انرژی های نو