The atomic scale structure of nanocarbons: modelling and experimental verification by neutron and X-ray diffraction, Raman spectroscopy and electron microscopy

Abstract

Celem niniejszych badan było okreslenie struktury atomowej wybranych nananomateriałów weglowych. Defekty pojawiajace sie w strukturze materiału w znacznym stopniu wpływaja na jego własciwosci fizyko-chemiczne. Wybranymi próbkami były grafen oraz dwie pary prekursor – wegiel aktywny, otrzymane z celulozy i sacharozy. Grafen to pojedyncza warstwa grafitowa o strukturze plastra miodu. Grafen badany w niniejszej pracy został otrzymany przez chemiczna eksfoliacje grafitu. Podczas gdy grafen jest relatywnie nowym, aktywnie badanym materiałem, wegle aktywne maja swoje medyczne zastosowanie od czasów starozytnych. Od tego czasu sposoby ich mozliwego zastosowania uległy zwiekszeniu. Wegle aktywne maja porowata strukture, która jest odpowiedzialna za znacznie rozwinieta powierzchnie tych materiałów. Wegle aktywne uzyte w tej pracy zostały otrzymane z koksów sacharozy i celulozy. Prekursory zostały aktywowane za pomoca NaOH. Główna metoda uzyta w celu okreslenia struktury badanych materiałów były metody dyfrakcyjne w połaczeniu z symulacjami komputerowymi. W celu interpretacji danych uzyskanych za pomoca szerokokatowego rozpraszania neutronów i promieniowania rentgenowskiego został zastosowany formalizm funkcji rozkładu par atomów. Z uzyskanymi danymi doswiadczalnymi zostały porównane modele wygenerowane za pomoca symulacji komputerowych, dane zostały porównane zarówno w przestrzeni rzeczywistej (S(Q)) jak i odwrotnej (PDF). W wygenerowanych modelach zostały uwzglednione defekty punktowe takie jak: monowakansje, diwakansje oraz defekty typu Stone-Throwera-Walesa w postaci dwóch par pieciokat-siedmiokat. Symulacje zostały przeprowadzone z uzyciem modelu parakrystalicznego oraz metodami klasycznej dynamiki molekularnej z uzyciem potencjału typu REBO (Reactive Empirical Bond Order) dla oddziaływan pomiedzy sasiadujacymi atomami wegla i potencjału Lennarda-Jonesa dla oddziaływan typu Van der Waalsa. Dodatkowe informacje zostały uzyskane na podstawie analizy zdjec uzyskanych za pomoca wysoko rozdzielczej mikroskopii elektronowej oraz analizy danych spektroskopii Ramanowskiej. Uzyskane wyniki sugeruja ze badany grafen składa sie głównie z 3-warstwowych struktur o srednicy 36 Å zawierajacych diwakansje. W przypadku obu par prekursor – wegiel aktywny została zauwazona zmiana struktury podczas aktywacji próbek polegajaca na wytworzeniu wielowarstwowych struktur w sciankach porów. We wszystkich przypadkach preferowane sa wakansje w porównaniu do defektów STW. Wyniki symulacji sugeruja, ze koks sacharozy to głownie 4-warstwowe struktury o srednicy 24 Å natomiast odpowiadajacy mu wegiel aktywny to głównie struktury 3-warstwowe z 10% dodatkiem 15-warstwowych o srednicy 24 Å. Dla próbek z celulozy jest to natomiast: koks – 3 warstwy 19.6 Å, wegiel aktywny – 3 warstwy + 20% 18 warstw o srednicy 22 Å.