Karbon nanotüplerin büyüme kinetiğinin araştırılması
Investigation of growth kinetics of carbon nanotubes
Yazar: BERRAK ERKMEN
Danışman: PROF. DR. BURHANETTİN ÇİÇEK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aktivasyon enerjisi = Activation energy ; Büyüme kinetiği = Growth kinetic

Özet:
Karbon nanotüpler (KNT) 1991 yılında Iijima tarafından He atmosferinde ark boşalım yöntemi ürünlerini incelemesi sırasında keşfedilmiştir. Yaptığı 'geçirmeli elektron mikroskobu' incelemelerinde nano boyutlarda tüpe benzeyen yapılar gözlemlemiştir. KNT'ler; üstün özellikleri ve potansiyel uygulama alanları sayesinde hakkında birçok çalışma yapılan en önemli nanomalzemelerdir. En yaygın KNT üretim yöntemleri; Ark Boşalım, Lazer Buharlaştırma ve Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)'dir. Genel olarak, CVD yöntemi sıcak duvar ve soğuk duvar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Sıcak duvar CVD yöntemi demir, nikel, kobalt gibi metal katalizör içeren malzemenin yüksek sıcaklıklara ısıtılması ve hidrokarbon gazının bu malzeme üzerinden geçirilmesine dayanır. KNT oluşumu, sıcaklıkla parçalanan hidrokarbon gazındaki karbonun katalizör üzerine çökelmesi ve bu taneciklerin karbon atomlarıyla doygun hale gelmesiyle gerçekleşir ve katalizör zehirlenmesi veya karbon atomlarının katalizör yüzeyine difüzyonunun sona ermesiyle tamamlanır. Soğuk duvar CVD yönteminin temel kullanılma ihtiyacı, sıcak duvar CVD yönteminde oluşan safsızlıkların azaltılması,  ekonomik olması ve optik görüntülemeye uygunluğudur. Sıcak duvarlı yöntemde, reaksiyon bir fırın içerisinde gerçekleşirken, soğuk duvarlı yöntemde ise reaktörün tamamının ısıtılması yerine, sadece taban malzeme ve/veya tepkimenin gerçekleşmesi istenen bölge ısıtılmaktadır. Böylece karbon kaynağı gaz,  parçalanmadan taban malzemeye ulaşır ve sadece taban malzeme üzerinde tepkimeye girer. Bu nedenle reaktörün duvarlarında is oluşumu gerçekleşmez. Son yıllarda; sıcak duvar CVD yöntemi ile uzun ve çapları kontrol edilebilen KNT üretimine yönelik başarılı çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalara rağmen, KNT'lerin büyüme mekanizması tam olarak aydınlatılamamıştır. Bu amaçla planlanan yüksek lisans çalışmamda; soğuk duvar CVD yöntemi ile farklı sıcaklılarda karbon nanotüpler üretilmesi ile elde edilen büyüme verilerinden faydalanılarak bir kinetik çalışma yapılmış ve karbon nanotüplerin büyüme mekanizması aydınlatılmıştır.

Abstract:
Carbon nanotubes (CNTs) were discovered in 1991 by Iijima while he was analyzing products of arc discharge experiments. He observed in his examinations with Transmission Electron Microscope (TEM) that there was tube alike structures in nanoscale. Due to their outstanding properties and potential applications, CNTs are the most important nanomaterials that researchers make lots of studies about. The most common CNT production methods are arc discharge, laser ablation and chemical vapour deposition (CVD). Generally, CVD method goes into division according to production conditions; 'hot-wall CVD' and 'cold-wall CVD'. Hot-wall CVD method depends on heating substrate that coated with metal catalyst like iron, nickel, cobalt and crossing carbon source gas over this substrate in high temperatures. Growth of CNTs occur after carbon source decompose due to high temperature and deposit on metal catalyst. When catalyst particles are saturated with carbon atoms, CNTs grow until catalyst poisoning and ending diffusion of C atoms to catalyst surface. As an alternative to hot-wall CVD system, cold-wall CVD method developed to avoid the impurities that was formed on reactor walls in hot-wall CVD system and to suit for optical imaging. In hot-wall CVD; reaction occurs in a reactor which stays in furnace and in cold-wall reactor only substrate is heated. Thus, carbon source gas reaches to substrate without decomposition, it reacts only on catalyst surface and soot formation is not onserved on walls of the reactor. In recent years, there are successful studies about production of restainable diameter and relatively long CNTs but growth mechanism of CNTs are not enlightened. For this purpose, in my master thesis; by using the data that collected from production of CNTs in different temperatures and flow rates with cold-wall CVD method, a kinetic study was made and growth mechanism was enlightened.