تبدیل مستقیم و یک مرحله‌ای زغال‌سنگ به نانوساختارهای کربنی با هندسه کروی، میله‌ای، لوله‌ای و صفحه‌ای به روش سنتز شیمیایی فاز جامد

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

2 مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه شهید باهنر، کرمان، ایران

چکیده

در این مطالعه نانوساختارهای کربنی مختلف (نانوکره‌ها، نانومیله‌ها، نانولوله‌ها و نقاط کوانتوم گرافنی) از کربوناسیون زغال‌سنگ بیتومنوس (با اندازه ذرات کمتر از 44 میکرون) در فاز جامد تولید شد. از آن جایی که سنتز در فاز جامد انجام گرفته است؛ این روش به نام سنتز شیمیایی کاتالیزوری فاز جامد نامگذاری شده است. در حضور کاتالیزور فروسن در دمای کربوناسیون °C650 و °C800 به ترتیب نانوکره‌های کربنی (با قطر 60-50 نانومتر) و نانولوله‌های کربنی (با قطر خارجی 30-20 نانومتر) در زمان کربوناسیون یک ساعت ساخته شد. تغییر نوع کاتالیزور از فروسن به نانوذرات مگنتیت (Fe3O4 با قطر70-50 نانومتر) در دمای °C800 به عنوان دمای رشد نانوساختارهای کربنی، منجر به تولید نانومیله‌های کربنی (با قطر 80-60 نانومتر) شد. در صورت عدم حضور کاتالیزور، از کربونیزه کردن زغال سنگ در دماهای °C650، °C800 و °C950 نانوساختار رشد یافته‌ای مشاهده نشد. اما با آماده سازی زغال سنگ در اسید، افزایش دمای کربوناسیون از °C800 به °C950 و افزایش زمان کربوناسیون از 1 ساعت به 5 ساعت نقاط کوانتوم گرافن تولید شد. نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری، پراش پرتو ایکس، طیف سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس و طیف سنجی مرئی- فرابنفش آنالیز شدند. نتایج نشان می‌دهد که پیک ماکزیمم طیف مرئی- فرابنفش نانوکره های کربنی، نانوساختارهای رشد یافته و نقاط کوانتوم گرافنی به ترتیب: 214، 266 و بالاتر از 300 نانومتر می باشد. قطر نانولوله های کربنی در حد نانوذرات آهن (با قطر 50-20 نانومتر) ناشی از تجزیه فروسن و قطر نانومیله های کربنی در حد قطر نانوذرات مگنتیت (با قطر 80-60 نانومتر) است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Direct and one-stage conversion of coal into carbon nanostructures with spherical, rod, tube and plate geometry by chemical solid synthesis method

نویسندگان [English]

  • motahereh vakili fathabadi 1
  • hassan hashemipour 2
  • Firoozeh Danafar 1
  • shima ahmadi rad 1
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 chemical engineering, faculty of engineering, shahid bahonar university of kerman, kerman , Iran
چکیده [English]

In this Study, various carbon nanostructures (nanospheres, nanorods, nanotubes and Graphene quantum dots) were synthesized by carbonization of bituminous coal (less than 44 micron) in solid phase. Since synthesis has taken place in the solid phase, this method has been named the catalytic chemical solid synthesis. Carbon nanospheres (50-60 nm in diameter) and Carbon nanotubes (outer diameter: 20-30nm) were synthesized in the presence of Ferrocene as catalyst, carbonization time of one hour and at carbonization temperature of 650°C and 800°C respectively. The change in the type of catalyst from ferrocene to magnetite nanoparticles (Fe3O4, 50-70 nm in diameter) at 800°C ;as the growth temperature of carbon nanostructures;, resulted in the synthesis of carbon nanorods (60-80 nm in diameter). Without catalysts, the growing nanostructures were not observed at carboniztion temperatures of 650°C, 800°C and 950°C. However, with acid preparation, an increase in carbonization temperature from 800°C to 950°C and an increase in carbonization time from 1 hour to 5 hours, the graphene quantum dots were observed. Samples were analyzed by scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, Energy-dispersive X-ray and ultraviolet spectroscopy. The results show that the maximum peak UV-visible spectrum of carbon nanospheres, grown nanostructures and graphene quantum dots are 214, 266 and above 300 nm, respectively.The diameters of carbon nanotubes and nanorods are in the range of iron nanoparticles (20-50 nm in diameter); due to the ferrocene decomposition; and magnetite nanoparticles(60-80 nm in diameter) respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbon nanostructure
  • Coal
  • Ferrosene
  • Graphene quantum dots

مراجع

[1] C. L. Bia, J. Wang, C. Pan, Y. Scheer and M. You, Chem. Commun. (2008) 1581.
[2] G. Kucukayan, R. Ovali, S. Ilday  B. Baykal, H. Yurdakul, S. Turan, O. Gulseren and E. Bengu, Carbon (2011) 508.
[3] TM., Keller, M. Laskoski, SB. Qadri, S., J.  Phys. Chem. C (2007) 2514.
[4] R. M. Fernandez, C. R. Soberanis, J. A. Alatorre, J. Barrios, J. Appl. Polym. Sci. (2011) 1960.
[5]. Greenwood, P. F., Strachan, M. G., El-Nakat, H. J., Willett, G. D. Wilson, M. A. and Moetaza Atta, Fuel (1990) 69.
[6] B. Plietker, Iron Catalysis, Fundamentals and Applications, Springer, 2011.
[7] A. Moisala, Chem. Eng. Sci. (2006) 4393.
[8] D., Posselt, Synth. Met. (1993) 3299.
[9] J. Yu, J. Lucas, V. Strezov, T. Wal, Fuel (2003) 2032.
[10] K. Moothi, S. E. Iyuke, M. Meyyappan, R. Falcon, Carbon, (2012) 2690.
[11] J. Qiu, Y. Li, Y. Wanga, Ch. Liang, T. Wang and D. Wang, Carbon (2003) 772.
[12] J. Qiu, Y. An, Z. Zhao, Y. Li, Y. Zhou,  Fuel Process. Technol. (2003) 920.
[13] J. Qiu, Q. Li, Zh. Wang, Y. Sun, H. Zhang, Carbon (2006) 2568.
[14] K. Moothi, S. E. Iyuke, M. Meyyappan, R. Falcon, Carbon (2012) 2690.
[15] Ruquan Y., Changsheng X., Jian L., Zhiwei P., Kewei H.,, Zheng Y., Nathan P. C., Errol L.G. S., Chih-Chau H. Nat. Commun. (2013) 254.
[16] P.I. Gold, Thermochimica Acta,(1980), 135.
[17] H. Marsh, Fuel. (1973) 205.
[18] B. Manoj, A.G. Kunjomana, Int. J. Electrochem. Sci. (2012) 3134.
[19] Jaan Leis , Anti Perkson , Mati Arulepp , Priit Nigu , Gunnar Svensson, Carbon (2002) 1559.
[20] P. Ehrenfreuvd, Laboratory Astrophysics and Space Research, Springer, 1999.
[21] Graham A. Rance, Dan H. Marsh, Robin J. Nicholas, Andrei N. Khlobystov, Chem. Phy. Lett. (2010) 19.
[22] Yiqing Sun, Shiqi Wang, Chun Li, Peihui Luo, Lei Tao, Yen Wei and Gaoquan Shi, Chem. Phys.(2013) 9907.
شیمى کاربردى روز
دوره 15، شماره 56
مهر 1399
صفحه 179-194

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار