سلول خورشیدی - جلسه سوم
یكی از اكتشافات بزرگ مربوط به نانو فناوری، كشف نانو لوله است.
نویسنده : شایان فروزنده دل
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : جمعه 1396/10/29 ساعت 09:08
اهداف جلسه:
· آشنایی با لوله های کربنی
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
مقدمه:
تعریف نانو لوله های کربنی
یكی از اكتشافات بزرگ مربوط به نانو فناوری، كشف نانو لوله است. نانو لوله ها صفحاتی از اتم های كربن هستند كه درون قسمتی غلتک مانند حركت می‌کنند و در ظاهر شبیه توری‌های سیمی هستند كه بر روی یك سمت آن‌ها پوششی قرارگرفته باشد. نانو لوله‌ها به نانو ساختارهایی اطلاق میشود كه قطر آن‌ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف‌نظر از استحكام كششی بالا، نانو لوله ها خواص الكتریكی مختلفی از خود نشان می دهند كه به ساختار آن‌ها وابسته است. این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد (m2/gr 1000 -700)، استحكام زیاد (حدود 50 برابر فولاد) و خصوصیات الكتریكی و الكترونیكی استثنایی موارد كاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیزور، تقویت مكانیكی بَسپارها و چندسازه[Composite] ها و ساخت قطعات الكترونیكی دارند[9]. لفظ نانو لوله در حالت عادی در مورد نانو لوله كربنی به كار می رود، كه در چند سال اخیر از سوی محققین مورد توجه فراوانی قرارگرفته‌اند و نویدبخش كاربردهای جالبی شده‌اند. البته اشكال دیگری از نانو لوله‌ها مانند نانو لوله‌های نیترید بور و نانو لوله‌های خودآرای آلی نیز ساخته‌شدهاند. نانو لوله‌ها در زمینه های مختلفی كاربرد دارند كه عبارتنداز:
- مواد ساختمانی
- صنایع الكترونیك
- قطعات نشر میدانی
- پیل های سوختی و باتری ها
یكی از مهم‌ترین نانو مواد مورد بحث در فناوری نانو، نانو لوله‌های كربنی هستند. کربن عنصری با خواص بی‌همتاست. و سبک‌ترین اتم در بین عناصر گروه IV جدول تناوبی است. این عنصر با سایر عنصرهای هم گروه خودش بسیار متفاوت است مانند سیلیسیوم، ژرمانیوم و سرب[10]. تمام این عناصر دارای هیبرید sp3 در حالت پایه مکعبی جامد خود هستند، درحالی‌که کربن در یک فاز متراکم دارای یک حالت پایه هگزاگونال با هیبرید sp2 در گرافیت است که بسیار ناهمسانگرد و بسیار نزدیک به یک نیمه فلز دوبعدی است[11]. گرافیت تحت فشار، الماس را تشکیل می‌دهد که یک ماده سه بعدی با خواص تقریباهمسانگرد است. تحقیقات اخیر بر روی کشف فلورن، فرمی از کربن را نتیجه می‌دهد که دارای ابعاد صفر و نانو لوله ها که یک بعدی هستند. یکی از انواع فلورن های کشف‌شده، فلورن 60 است که باکی بال نامیده میشود[12].
ساختار باکی بال شامل 60 اتم کربن است که به صورت 20 شش وجهی و 12 پنج وجهی آرایش یافته اند تا یک کره را تشکیل دهند، هنگامی که یک باکی بال کشیده میشود، یک لوله باریک و بلند شکل می گیرد که تقریباً قطر حدود چند نانومتر دارد و شکل پایه نانو لوله کربنی است. اولین بار نانو لوله کربنی توسط یک دانشمند ژاپنی به نام سامیو ایجیما [S. Iijima] (1991) و به طور کاملاً اتفاقی کشف شد. او می‌خواست فولرین تولید کند و برای این کار می‌بایست دو الکترود گرافیت را با یکدیگر تماس دهد اما آن‌ها را در فاصله کمی از یکدیگر قرارداد و بدین ترتیب نانو لوله کربنی برای اولین بار ساخته و کشف شد. نانو لوله‌های كربنی، استوانه‌های نانومتری هستند که از اتم‌های كربن ساخته‌شده اند. آن‌ها بسیار ظریف هستند و قطرشان حدود 10000 بار كوچك تر از یک تار موی انسان است. نانو لوله تک دیوارهای که معمولاً باکی تیوب گفته می شود تنها یک لایه دارد و دو سر آن با یک نصفه مولكول فولرین مسدود شده است. نانو لوله‌های كربنی شبیه یک ورقه گرافیتی لوله شده هستند. قطر نانو لوله‌ها محدود به ابعاد نانومتری است اما طول آن‌ها می‌تواند به ابعاد سانتی متری برسد.
نانولوله‌های کربنی چند‌دیواره به طور وسیع در باتری‌های یون لیتیوم در رایانه‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند و این امر یک موفقیت تجاری بزرگ را نشان می‌دهد. در بهترین باتری‌ها مقادیر کمی پودر نانولوله چند‌دیواره با مواد فعال و یک اتصال دهنده پلیمری استفاده میشود، طوری که در کاتد LiCoO2 و آند گرافیتی یک درصد وزنی نانولوله کربنی وارد شده است. نانولوله‌های کربنی اتصال الکتریکی و یکپارچگی مکانیکی را بیشتر می‌کنند که چرخه عمر و نرخ استفاده از باتری را بیشتر می‌کند.
بسیاری از مقالات، اطلاعات ذخیره انرژی وزنی و چگالی توان باتری‌ها و ابرخازن‌های بسته‌بندی نشده را ارائه داده‌اند، که در آن ها معیار مقایسه، وزن مواد الکترود فعال است. در این مقالات، استفاده مکرر از چگالی‌های ناحیه‌ای کم برای مواد فعال، ارتباط جدول کارایی وزنی این گزارش‌ها را به کارایی باتری‌های بسته‌بندی شده دشوار کرده است. زیرا در باتری‌ها، به ذخیره انرژی ناحیه‌ای و چگالی توان بالا، برای تحقق کارایی بالا بر اساس وزن یا حجم کل باتری نیاز است.
در یکی از مطالعات اخیر روی سلول های بسته بندی شده، کارایی قابل توجهی در ابرخازن‌هایی که از توده انبوه نانولوله تک دیواره عمودی استفاده کرده بودند دیده شد. این موارد بدون اتصال دهنده و افزودنی هستند. چگالی انرژی WhKg-1 16 و چگالی توان kWKg-1 10 برای ابرخازن 40 فاراد با حداکثر ولتاژ 3.5 ولت به دست آمد و بر اساس تست‌های تسریع شده در 105 درجه سانتی‌گراد، طول عمر 16ساله پیش‌بینی شد. علی رغم این اعداد جذاب، هزینه فعلی نانولوله تک دیواره مانع اصلی در تجاری سازی آن است.
در پیل‌های سوختی، استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان پایه کاتالیستی می‌تواند مصرف پلاتین را 60 درصد در مقایسه با کربن سیاه کاهش دهد و نانولوله‌های آلاییده می‌توانند انواعی از پیل‌های سوختی را ایجاد کنند که به پلاتین نیاز ندارند. برای سلول‌های خورشیدی آلی تلاش میشود که خواص نانولوله‌ها را برای کاهش بازتلفیق ناخواسته حامل‌ها و افزایش مقاومت به اکسیداسیون نوری ارتقا دهند. ممکن است در مدت زمان طولانی، فناوری های فوتوولتاییک تجاری از الکترودهای CNT-Si چند اتصالی استفاده کنند و تولید با کارایی بیشتر چند اکسیتونی را در اتصالات p-n تشکیل شده در نانولوله‌های مجزا، بهبود دهند. در کوتاه مدت، پیل‌های خورشیدی می‌تواند از الکترودهای نانولوله تک دیواره شفاف استفاده کنند (شکل 4C).
یک حوزه کاربردی جدید از نانولوله‌های کربنی، خالص‌سازی آب است. در اینجا صفحات در هم ریخته نانولوله‌ای، می‌توانند شبکه‌های محکم الکتروشیمیایی و مکانیکی با تخلخل کنترل شده نانومتری ایجاد کنند. آن ها برای اکسید کردن الکتروشیمیایی آلاینده‌های آلی، باکتری‌ها و ویروس‌ها استفاده می‌شوند. فیلتر‌های سیار حاوی مش‌های نانولوله برای خالص‌سازی آب آشامیدنی آلوده شده استفاده می‌شوند. (شکل4D) به علاوه همه غشاهایی که از نانولوله‌های کپسوله شده با انتهای باز استفاده می‌کنند اجازه شکل‌گیری جریان را درون نانولوله‌ها فراهم می‌کنند. این غشاها برای گازها و مایعات، مقاومت جریان کمی را ایجاد می‌کنند. این عبوردهی بالا، هزینه انرژی برای شیرین‌سازی آب با روش اسمز معکوس را در مقایسه با غشا‌های پلی کربنات کم می‌کند. با این حال برای جدا کردن نمک از آب دریا، نانولوله تک دیواره با قطر بسیار کم نیاز است.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی
· آشنایی با لوله های کربنی
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
مقدمه:
تعریف نانو لوله های کربنی
یكی از اكتشافات بزرگ مربوط به نانو فناوری، كشف نانو لوله است. نانو لوله ها صفحاتی از اتم های كربن هستند كه درون قسمتی غلتک مانند حركت می‌کنند و در ظاهر شبیه توری‌های سیمی هستند كه بر روی یك سمت آن‌ها پوششی قرارگرفته باشد. نانو لوله‌ها به نانو ساختارهایی اطلاق میشود كه قطر آن‌ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف‌نظر از استحكام كششی بالا، نانو لوله ها خواص الكتریكی مختلفی از خود نشان می دهند كه به ساختار آن‌ها وابسته است. این مواد به علت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد (m2/gr 1000 -700)، استحكام زیاد (حدود 50 برابر فولاد) و خصوصیات الكتریكی و الكترونیكی استثنایی موارد كاربرد زیادی از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیزور، تقویت مكانیكی بَسپارها و چندسازه[Composite] ها و ساخت قطعات الكترونیكی دارند[9]. لفظ نانو لوله در حالت عادی در مورد نانو لوله كربنی به كار می رود، كه در چند سال اخیر از سوی محققین مورد توجه فراوانی قرارگرفته‌اند و نویدبخش كاربردهای جالبی شده‌اند. البته اشكال دیگری از نانو لوله‌ها مانند نانو لوله‌های نیترید بور و نانو لوله‌های خودآرای آلی نیز ساخته‌شدهاند. نانو لوله‌ها در زمینه های مختلفی كاربرد دارند كه عبارتنداز:
- مواد ساختمانی
- صنایع الكترونیك
- قطعات نشر میدانی
- پیل های سوختی و باتری ها
یكی از مهم‌ترین نانو مواد مورد بحث در فناوری نانو، نانو لوله‌های كربنی هستند. کربن عنصری با خواص بی‌همتاست. و سبک‌ترین اتم در بین عناصر گروه IV جدول تناوبی است. این عنصر با سایر عنصرهای هم گروه خودش بسیار متفاوت است مانند سیلیسیوم، ژرمانیوم و سرب[10]. تمام این عناصر دارای هیبرید sp3 در حالت پایه مکعبی جامد خود هستند، درحالی‌که کربن در یک فاز متراکم دارای یک حالت پایه هگزاگونال با هیبرید sp2 در گرافیت است که بسیار ناهمسانگرد و بسیار نزدیک به یک نیمه فلز دوبعدی است[11]. گرافیت تحت فشار، الماس را تشکیل می‌دهد که یک ماده سه بعدی با خواص تقریباهمسانگرد است. تحقیقات اخیر بر روی کشف فلورن، فرمی از کربن را نتیجه می‌دهد که دارای ابعاد صفر و نانو لوله ها که یک بعدی هستند. یکی از انواع فلورن های کشف‌شده، فلورن 60 است که باکی بال نامیده میشود[12].
ساختار باکی بال شامل 60 اتم کربن است که به صورت 20 شش وجهی و 12 پنج وجهی آرایش یافته اند تا یک کره را تشکیل دهند، هنگامی که یک باکی بال کشیده میشود، یک لوله باریک و بلند شکل می گیرد که تقریباً قطر حدود چند نانومتر دارد و شکل پایه نانو لوله کربنی است. اولین بار نانو لوله کربنی توسط یک دانشمند ژاپنی به نام سامیو ایجیما [S. Iijima] (1991) و به طور کاملاً اتفاقی کشف شد. او می‌خواست فولرین تولید کند و برای این کار می‌بایست دو الکترود گرافیت را با یکدیگر تماس دهد اما آن‌ها را در فاصله کمی از یکدیگر قرارداد و بدین ترتیب نانو لوله کربنی برای اولین بار ساخته و کشف شد. نانو لوله‌های كربنی، استوانه‌های نانومتری هستند که از اتم‌های كربن ساخته‌شده اند. آن‌ها بسیار ظریف هستند و قطرشان حدود 10000 بار كوچك تر از یک تار موی انسان است. نانو لوله تک دیوارهای که معمولاً باکی تیوب گفته می شود تنها یک لایه دارد و دو سر آن با یک نصفه مولكول فولرین مسدود شده است. نانو لوله‌های كربنی شبیه یک ورقه گرافیتی لوله شده هستند. قطر نانو لوله‌ها محدود به ابعاد نانومتری است اما طول آن‌ها می‌تواند به ابعاد سانتی متری برسد.
بسیاری از مقالات، اطلاعات ذخیره انرژی وزنی و چگالی توان باتری‌ها و ابرخازن‌های بسته‌بندی نشده را ارائه داده‌اند، که در آن ها معیار مقایسه، وزن مواد الکترود فعال است. در این مقالات، استفاده مکرر از چگالی‌های ناحیه‌ای کم برای مواد فعال، ارتباط جدول کارایی وزنی این گزارش‌ها را به کارایی باتری‌های بسته‌بندی شده دشوار کرده است. زیرا در باتری‌ها، به ذخیره انرژی ناحیه‌ای و چگالی توان بالا، برای تحقق کارایی بالا بر اساس وزن یا حجم کل باتری نیاز است.
در یکی از مطالعات اخیر روی سلول های بسته بندی شده، کارایی قابل توجهی در ابرخازن‌هایی که از توده انبوه نانولوله تک دیواره عمودی استفاده کرده بودند دیده شد. این موارد بدون اتصال دهنده و افزودنی هستند. چگالی انرژی WhKg-1 16 و چگالی توان kWKg-1 10 برای ابرخازن 40 فاراد با حداکثر ولتاژ 3.5 ولت به دست آمد و بر اساس تست‌های تسریع شده در 105 درجه سانتی‌گراد، طول عمر 16ساله پیش‌بینی شد. علی رغم این اعداد جذاب، هزینه فعلی نانولوله تک دیواره مانع اصلی در تجاری سازی آن است.
در پیل‌های سوختی، استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان پایه کاتالیستی می‌تواند مصرف پلاتین را 60 درصد در مقایسه با کربن سیاه کاهش دهد و نانولوله‌های آلاییده می‌توانند انواعی از پیل‌های سوختی را ایجاد کنند که به پلاتین نیاز ندارند. برای سلول‌های خورشیدی آلی تلاش میشود که خواص نانولوله‌ها را برای کاهش بازتلفیق ناخواسته حامل‌ها و افزایش مقاومت به اکسیداسیون نوری ارتقا دهند. ممکن است در مدت زمان طولانی، فناوری های فوتوولتاییک تجاری از الکترودهای CNT-Si چند اتصالی استفاده کنند و تولید با کارایی بیشتر چند اکسیتونی را در اتصالات p-n تشکیل شده در نانولوله‌های مجزا، بهبود دهند. در کوتاه مدت، پیل‌های خورشیدی می‌تواند از الکترودهای نانولوله تک دیواره شفاف استفاده کنند (شکل 4C).
یک حوزه کاربردی جدید از نانولوله‌های کربنی، خالص‌سازی آب است. در اینجا صفحات در هم ریخته نانولوله‌ای، می‌توانند شبکه‌های محکم الکتروشیمیایی و مکانیکی با تخلخل کنترل شده نانومتری ایجاد کنند. آن ها برای اکسید کردن الکتروشیمیایی آلاینده‌های آلی، باکتری‌ها و ویروس‌ها استفاده می‌شوند. فیلتر‌های سیار حاوی مش‌های نانولوله برای خالص‌سازی آب آشامیدنی آلوده شده استفاده می‌شوند. (شکل4D) به علاوه همه غشاهایی که از نانولوله‌های کپسوله شده با انتهای باز استفاده می‌کنند اجازه شکل‌گیری جریان را درون نانولوله‌ها فراهم می‌کنند. این غشاها برای گازها و مایعات، مقاومت جریان کمی را ایجاد می‌کنند. این عبوردهی بالا، هزینه انرژی برای شیرین‌سازی آب با روش اسمز معکوس را در مقایسه با غشا‌های پلی کربنات کم می‌کند. با این حال برای جدا کردن نمک از آب دریا، نانولوله تک دیواره با قطر بسیار کم نیاز است.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی
