Prírodovedecká fakultaUniverzita Komenského v Bratislave

Nanokompozity na báze uhlíkových nanorúrok a vybraných silikátových mimerálov

Univerzita Komenského v Bratislave

Karol Jesenák, Magdaléna Kadlečíková,
Katarína Bédiová, Juraj Breza, Michal Kolmačka

Bratislava 2018

Plný text publikácie [.pdf]

Ďakujem za prejav akejkoľvek reakcie na obsah tejto publikácie a na upozornenie na prípadné chyby a nepresnosti. Možno ich adresovať na e-mailovú adresu: karol.jesenakuniba.sk

Vydala: Univerzita Komenského v Bratislave
1. vydanie
ISBN 978-80-223-4671-9

Prvá strana:  [.jpg]  [.pdf]

Táto publikácia vznikla v spolupráci

  • Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave
  • a Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave

© Prof. Ing. Karol Jesenák, CSc., Ing. Magdaléna Kadlečíková, PhD.,
Mgr. Katarína Bédiová, PhD., Prof. Ing. Juraj Breza, PhD., Ing. Michal Kolmačka

Titulný obrázok: Zväzky uhlíkových nanorúrok na montmorillonite

Návrh obálky: Magdaléna Kadlečíková

Grafická úprava textu: Karol Jesenák, Magdaléna Kadlečíková

Obrázky: Autormi obrázkov, ktoré nemajú citačný odkaz, sú autori tejto publikácie.

Recenzenti:

  • doc. Ing. Milena Reháková, PhD., Fakulta chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave
  • doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně


Za odbornú, obsahovú a jazykovú úpravu zodpovedajú autori.

Zverejnené v elektronickej forme na webovej stránke:
http://www.fns.uniba.sk/jesenak

Poďakovanie

Úprimne ďakujeme za cenné pripomienky recenzentom tejto publikácie doc. Ing. Milene Rehákovej, PhD. z Fakulty chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave a doc. Ing. Ivanovi Szendiuchovi, PhD. z Fakulty elektrotechniky a komunikačných technológií VUT v Brne.

Naša vďaka patrí Mgr. Lukášovi Petrovi, PhD., absolventovi Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave za poskytnutie obrázkov štruktúr fylosilikátov, Ing. Márii Čaplovičovej, PhD., vedeckej pracovníčke Centra pre nanodiagnostiku STU v Bratislave za vykonanie pozorovaní uhlíkových nanorúrok na transmisnom elektrónovom mikroskope a Ing. Júliusovi Dekanovi, PhD., výskumnému pracovníkovi Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva Fakulty elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave za vykonanie Mössbauerovej spektroskopie vzoriek nanokompozitov.

Výsledky výskumu nanokompozitov opisovaných v tejto práci sú produktom spolupráce pracovníkov Ústavu elektroniky a fotoniky Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave a Katedry anorganickej chémie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave.

Táto publikácia vznikla s finančnou podporou grantu VEGA 1/0947/16 Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky.

Autori

Abstrakt

Karol Jesenák, Magdaléna Kadlečíková, Katarína Bédiová, Juraj Breza, Michal Kolmačka:

NANOKOMPOZITY NA BÁZE UHLÍKOVÝCH NANORÚROK A VYBRANÝCH
SILIKÁTOVÝCH MINERÁLOV

Publikácia je vedecká monografia určená čitateľovi, ktorý sa zaujíma o sofistikované aplikácie silikátov a syntézy nanokompozitov na báze uhlíkových nanorúrok. Kým uhlíkové nanorúrky sú moderné materiály, o ktorých sa prvé zmienky datujú do roku 1991, v prípade silikátov, použitých v experimentoch, ide o tradičné prírodné alebo syntetické látky s dlhou históriou výskumu a s veľmi širokým spektrom ich priemyselného využitia.

Obe skupiny materiálov v tejto publikácii spája metóda syntézy uhlíkových nanorúrok využívajúca katalyticky aktívnu zložku, ktorá je buď prirodzenou súčasťou anorganických matríc alebo bola do týchto matríc umelo inkorporovaná. Výskum nanokompozitov na báze uhlíkových nanorúrok a vybraných silikátových minerálov (montmorillonit, kaolinit, sepiolit, nontronit, zeolit), ktoré sú opisované v tejto publikácii, začal v roku 2003 a bol
založený na spolupráci pracovníkov Ústavu elektroniky a fotoniky Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave a Katedry anorganickej chémie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave. Vymedzila sa taká oblasť výskumu, ktorá nekopírovala už riešené témy zahraničných pracovísk ale využila domáce materiálové, technologické a profesionálne zdroje. Predkladaná publikácia vo svojej experimentálnej časti popisuje časť výsledkov základného výskumu získaných autormi v laboratóriách riešiteľských pracovísk.

Kľúčové slová: Uhlíkové nanorúrky, montmorillonit, kaolinit, sepiolit, nontronit, zeolit.

Abstract

Karol Jesenák, Magdaléna Kadlečíková, Katarína Bédiová, Juraj Breza, Michal Kolmačka:

NANOCOMPOSITES BASED ON CARBON NANOTUBES AND SELECTED
SILICATE MINERALS

The publication is a scientific monograph designed for those readers who are interested in sophisticated applications of silicates and in the synthesis of nanocomposites based on carbon nanotubes. While carbon nanotubes are modern materials, their first mention dating back to 1991, the silicates used in the experiments are traditional natural or synthetic materials with a long history of research and a very wide range of industrial uses. Both sets of materials in this publication combine a method of carbon nanotube synthesis utilizing a catalytically active component which is either a natural component of inorganic matrices or has been artificially incorporated into these matrices. The research of nanocomposites based on carbon nanotubes and selected silicate minerals (montmorillonite, kaolinite, sepiolite, nontronite, zeolite) described in this publication started in 2003 and was based on the collaboration of the Institute of Electronics and Photonics of the Faculty of Electrical Engineering and Information technology of the Slovak University of Technology in Bratislava with the Department of Inorganic Chemistry of the Faculty of Natural Sciences of Comenius University in Bratislava. A field of research was defined that did not copy the already solved themes solved at foreign workplaces but utilized domestic material, technological and professional resources.

The presented publication in its experimental part describes selected results of the basic research obtained by the authors in the laboratories of the two involved teams.

Key words: Carbon nanotubes, montmorillonite, kaolinite, sepiolite, nontronite, zeolite.

Obsah

POĎAKOVANIE . 4

PREDHOVOR . 9

1 ÚVOD  10

2 UHLÍKOVÉ NANORÚRKY . 13

2.1 Štruktúra uhlíkových nanorúrok  13
2.2 Metódy syntézy uhlíkových nanorúrok . 18
2.3 Mechanizmus rastu uhlíkových nanorúrok  20
2.4 Defekty v reálnych štruktúrach uhlíkových nanorúrok . 23
2.5 Vlastnosti uhlíkových nanorúrok . 24
2.5.1 Mechanické vlastnosti  24
2.5.2 Elektrické vlastnosti . 25
2.5.3 Tepelné vlastnosti  26
2.6 Niektoré praktické aplikácie uhlíkových nanorúrok  26

3 SILIKÁTY: KLASIFIKÁCIA A STRUČNÁ CHARAKTERISTIKA . 28

3.1 Fylosilikáty  31
3.1.1 Všeobecná charakteristika . 31
3.1.2 Štruktúra fylosilikátov . 32
3.1.3 Montmorillonit . 36
3.1.4 Kaolinit  37
3.1.5 Nontronit  39
3.1.6 Chryzotil  40
3.1.7 Sepiolit . 41
3.1.8 Použitie fylosilikátov pri syntéze uhlíkových nanorúrok  41
3.2 Zeolity  42
3.2.1 Všeobecná charakteristika . 42
3.2.2 Použitie zeolitov pri syntéze uhlíkových nanorúrok  43

4 EXPERIMENTÁLNE TECHNIKY . 45

4.1 Charakterizácia nanokompozitov  45
4.1.1 Distribúcia veľkosti častíc . 45
4.1.2 Rastrovacia elektrónová mikroskopia  45
4.1.3 Transmisná elektrónová mikroskopia  46
4.1.4 Ramanova spektroskopia . 47
4.1.5 57Fe Mössbauerova spektroskopia . 50
4.2 Výber silikátových substrátov pre rast uhlíkových nanorúrok  53
4.3 Príprava katalytických vrstiev . 55
4.4 Experimentálne zariadenie pre syntézu uhlíkových nanorúrok metódou
chemickej depozície z pár  57
4.5 Postupnosť krokov pri syntéze uhlíkových nanorúrok  59

5 VÝSLEDKY EXPERIMENTOV  61

5.1 Ciele výskumu syntéz uhlíkových nanorúrok na silikátových substrátoch . 61
5.2 Uhlíkové fázy na montmorillonite . 61
5.3 Uhlíkové fázy na kaolinite . 72
5.4 Uhlíkové fázy na sepiolite . 81
5.5 Uhlíkové fázy na nontronite  93
5.6 Uhlíkové fázy na zeolitickom tufe . 100

6 ZÁVER  105

7 POUŽITÁ LITERATÚRA  106

Predhovor

Predkladaná publikácia je vedecká monografia určená čitateľovi, ktorý sa zaujíma o sofistikované aplikácie silikátov a syntézy nanokompozitov na báze uhlíkových nanorúrok. Publikácia môže zároveň slúžiť ako podporný informačný zdroj pre študentov v rámci predmetu Anorganická chémia II a Chémia nanomateriálov na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave a zároveň prednášok z predmetu Nanotechnológie či Nanoelektronika na Fakulte elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. V experimentálnej časti publikácie je popísaná časť výsledkov základného výskumu získaných autormi v laboratóriách riešiteľských pracovísk.

Experimentálna časť je doplnená desiatkami originálnych snímok uhlíkových nanorúrok a nanokompozitov z elektrónového mikroskopu.

Autori

Záver

V tejto práci venovanej syntéze uhlíkových nanorúrok na vybranej skupine silikátových minerálov je zahrnutá najmä tá časť experimentov, ktorá viedla k  úspešnej syntéze uhlíkových nanorúrok. Vzhľadom na vysoký počet  premenných ovplyvňujúcich rast uhlíkových nanorúrok, sa všetky experimenty uvedené v tejto publikácii sústreďovali na jeden typ kovového katalyzátora, ktorým bolo železo buď priamo zabudované v štruktúre silikátu alebo bolo umele deponované na jeho povrch, prípadne inkorporované do jeho štruktúry z vodných roztokov železitých solí.

Výsledky doterajších štúdií poukazujú na variabilitu štruktúr a uhlíkových fáz pripravených na silikátových povrchoch, zahrňujúcich nielen uhlíkové nanorúrky,  ale aj rôzne amorfné fázy, kryštalické nanočastice i grafénové nanosteny.

V súčasnosti je na autorských pracoviskách rozpracovaných niekoľko  vedeckovýskumných tém, ktoré priamo nadväzujú na experimenty tu publikované. Hlavným zámerom a vedeckým cieľom je pochopiť a opísať mechanizmus rastu uhlíkových nanorúrok v daných materiálových a technologických podmienkach.

Výskum nanokompozitov opisovaných v tejto práci je produktom spolupráce pracovníkov Ústavu elektroniky a fotoniky Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave a Katedry anorganickej chémie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave. Spolupráca bola  podporená piatimi domácimi vedecko-výskumnými grantami VEGA a jedným bilaterálnym ČR-SR grantom APVV. V roku 2004 bola podaná patentová prihláška, ktorej predmetom bola Depozícia uhlíkových nanorúrok na neporézny nevodivý opticky transparentný substrát.

Patent číslo 286330 bol udelený v roku 2008 (Kadlečíková, 2008). Formálnym výstupom výskumu nanokompozitov na báze uhlíkových nanorúrok a minerálov je niekoľko desiatok vedeckých publikácii, z čoho veľká časť pripadá na publikácie registrované v databáze referátového periodika Current Contents.