Uhlíkové struktury vázající ionty těžkých kovů 7. června/june 2013 9:30 h 17:30 h Laboratoř metalomiky a nanotechnologií, Mendelova univerzita v Brně a Středoevropský technologický institut Budova D, Zemědělská 1, 613 00 Brno http://web2.mendelu.cz/af_239_nanotech/index.php Reg.č.projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0023 Mgr. Dana Fialová Název projektu: Partnerská siť centra excelentního bionanotechnologického výzkumu
Obsah 1. Úvodní informace o významu uhlíku 2. Formy uhlíku, nanoformy uhlíku, grafen, expandovaný uhlík 3. Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů 4. Shrnutí 2
UHLÍK CARBON - nekovový prvek znám od 2. pol. 18.století - základní stavební kámen všech organických sloučenin a živých - v elementárním stavu se vyskytuje v přírodě ve dvou základních alotropních modifikacích (grafit a diamant) - v posledních 30 letech byly objeveny v přírodě nebo laboratorně vytvořeny další modifikace Uhlík nám dává: - nejpevnější vlákna - nejlepší mazadlo grafit - nejpevnější a nejtvrdší materiál diamant - nejlepší adsorbent plynů aktivní uhlí - nejlepší heliovou bariéru skelný uhlík - nové objevy jako je molekula fullerenu, nanotrubice, nanopěny 3
NEJNOVĚJŠÍ OBJEVY 1985 objev fullerenů 1991 objev uhlíkových nanotrubic 1993 výroba nanotrubic ve velkém 1995 uhlíkové anody pro lithiové dobíjecí články 2001 monokrystaly z uhlíkových nanotrubic 2002 použití diamantu na polovodičové součástky 2002 připravena uhlíková nanopěna 2003 použití fullerenů v medicíně 2003 tranzistor z uhlíkových nanotrubic 2004 vlákno v žárovce z uhlíkových nanotrubic 2004 zjištěny paramagnetické vlastnosti uhlíkových nanopěn 4
Uhlíky používané v naší laboratoři Skelný uhlík (glassy carbon, GC) je monolitický negrafitující uhlík s velkou isotropií strukturních i fyzikálních vlastností, prakticky nepropustný pro kapaliny i plyny. Vyrábí se pyrolýzou termosetových polymerů, které mají vytvořenu trojrozměrnou strukturní síť. Používá se jako náhrada platiny či křemenného skla v chemických laboratořích, v metalurgii a k výrobě stavebních prvků v jaderné technice. Má vysokou biokompatibilitu, proto nachází využití v medicinální praxi na implantáty. 5 Skelný uhlík má výborné mechanické i elektrické vlastnosti, je chemicky inertní a má široké potenciálové okno (zejména v anodické oblasti). Povrch GC elektrod se upravuje před každým měřením nejčastěji leštěním vodnou suspenzí aluminy (Al 2 O 3, velikost částic 0,3 příp. 0,05 μm) do zrcadlového lesku
Grafen je forma uhlíku, kterou tvoří jedna či několik málo vrstev rovinné sítě vzájemně propojených atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků (hybridizace sp 2 ). Jedná se o vlastně strukturní součást grafitu, která si vzhledem ke zvláštním fyzikálním vlastnostem, výborné tepelné vodivosti (přes 4000 W m -1 K -1 u izotopicky čištěného grafenu) a využitelností pro mnohé elektronické a optické aplikace zasloužila vlastní název i Nobeovu cenu za fyziku v r. 2010 pro své objevitele. 6 Grafit (tuha) je nejčastější přírodní modifikace uhlíku, jejíž struktura se skládá z vrstev tzv. grafenu, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Na každý uhlík jsou kovalentně vázany další tři uhlíky (hybridizace sp 2 ). Tvoří se zde rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů (π-systém). Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí tzv. van der Waalsovy síly. Této vlastnosti se využívá např. při výrobě tužek, kde mletá tuha tvoří základní složku tyčinky určené pro psaní a kreslení. Grafit vede elektrický proud.
Uhlíkové nanotrubice a nanorohy (carbon nanotube and nanocone) - nejmodernější uhlíkový materiál, jsou to uměle vyrobené mikroskopické trubičky složené z válcově svinuté vrstvy grafenu o průměru pouhých několika (1-100) nanometrů - zachycují velké objemy plynů, iontů, vyztužují polymerní vlákna a slouží jako základní materiál v nanotechnologiích - ve struktuře se vyskytují uhlíky s hybridizací sp 2 a některé formy mají zajímavé elektrické (polovodivé) vlastnosti. - objemová výroba vychází z katalytického rozkladu plynů obsahujících vhodně vázaný uhlík na vhodných podložkách (katalyzátory obsahují Ni, Fe apod.) - nanotrubice mají téměř v celém objemu stejnou tloušťku a mohou být jednovrstvé (single walled nanotube SWNT) nebo vícevrstvé (multiwalled nanotube MWNT) - rychlý katalytický růst - vznik útvarů ve tvaru nanorohů 7
Experiment Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů Navážka: 10 mg uhlíku Interakce: 1 ml (100 µm Cd) s 10 mg uhlíku, t= 25 C, míchání Doba interakce: 1; 3; 6; 12; 24 hodin Centrifugace: 10 min. 2,800 rpm Filtrace: vzorky přefiltrovat přes 0,45 µm filtry Elektrochemická detekce : DPV, LSV, (WE - HMDE, RE - Ag/AgCl/3MKCl, AE - Pt drátek, depozice -1,2 V; 240s) W A R Tříelektrodové zapojení 8
Koncentrace Cd (µm) Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 MWCNT GRAFEN EXPAND 1H 3H 6H 12H 24H Adsorpce kadmia na povrch různých forem uhlíku v % čas (hod) MWCNT % GRAFEN % EXPAND % 1 30 99 5 3 37 99 10 6 39 98 13 12 36 96 16 24 49 98 6 Interakce kadmia a grafenu nejvyšší adsorpce na povrch Interakce kadmia a expandovaného uhlíku bez adsorpce Interakce kadmia a mwcnt po 24 hod. 50 % adsorpce 9
Děkuji Vám za pozornost. 10