Kütle aktarım kısıtlamalarının karbon nanotüp oluşumuna etkisinin incelenmesi
Investigation of mass transfer limitation effects on the carbon nanotube formation
Yazar: FURKAN SOYSAL
Danışman: PROF. DR. BURHANETTİN ÇİÇEK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Difüzyon = Diffusion ; Karbon = Carbon ; Kimya mühendisliği = Chemical engineering ; Kimyasal buhar çöktürme = Chemical vapor deposition ; Kinetik = Kinetics ; Mekanizmalar = Mechanisms ; Nano yapı = Nano structure ; Nanobilim = Nanoscience ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Nanotüp = Nanotube

Özet:
Karbon nanotüplerin 1991 yılında keşfedilmiş olmasına rağmen oluşum mekanizmaları hâlen çözülememiştir. Yığın ve seçimli üretim yapılabilmesi için bu mekanizmanın aydınlatılması şarttır. Karbon nanotüp oluşum hızı zamanla azalmakta ve bir süre sonra durmaktadır. Araştırmacılar bu azalmayı katalizörün deaktivasyonuna bağlamaktadır. Ancak gaz fazdaki bileşenlerin, oluşan karbon nanotüplerin arasından difüzlenerek tabandaki katalizöre kadar ulaşması gerektiği literatürde aydınlatılmamış bir noktadır. Bu adım karbon nanotüp boyları kısayken önemsiz olsa da nanotüp boyu arttıkça gaz fazındaki moleküllerin tabandaki katalizöre ulaşması zorlaşmaktadır.

Bu doktora çalışmasındaki amaç, karbon nanotüp oluşumundaki kısıtlayıcı basamağın, gaz fazdaki bileşenlerin nanotüp tabanındaki katalizöre difüzlenememesi olduğu önermesinin incelenmesidir. Bu amaç doğrultusunda deneysel olarak soğuk duvar kimyasal buhar biriktirme sisteminde karbon nanotüp ormanı üretimi gerçekleştirilmiş ve kuramsal olarak karbon nanotüp oluşumu modellenmiştir. 

Deneysel çalışmalar sonucunda farklı sıcaklık ve asetilen derişimlerinde, karbon nanotüp boylarının zamanla değişimi elde edilmiş ve Arrhenius grafikleri çizilerek karbon nanotüp oluşumunun aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Sürecin, adsorpsiyon ve/veya karbonun katalizör içinde çözünme kısıtlamalı olmadığı, kütle aktarım kısıtlamalı gerçekleştiği deneysel olarak ispatlanmıştır. Ayrıca katalizör deaktivasyonunun söz konusu olmadığı gösterilmiştir. Karbon kaynağının difüzlendiği alanın büyüklüğü arttıkça ile karbon nanotüplerin erişebileceği yüksekliğin de arttığı bulunmuştur. Karbon nanotüp ormanının gözenekli bir yapı olarak düşünüldüğü proses modellenerek analitik ve sayısal çözüm yapılmıştır. Deneysel ve kuramsal bulguların hangi koşullarda uyum sağladığı tespit edilmiş ve yorumlanmıştır.

Abstract:
Although carbon nanotubes were discovered in 1991, their growth mechanism has not yet been established. Growth mechanism must be clarified for bulk and selective production of carbon nanotubes. Carbon nanotube growth rate decreases with time and growth stops after a certain duration. Researchers have concluded that catalyst deactivation resulted in the decrease of growth. However, it is still not pointed out that gas phase components must travel through the gaps between carbon nanotubes and reach to the catalyst at the bottom. This step may be insignificant when carbon nanotubes are short, but it becomes difficult for molecules in the gas phase to reach the catalyst with increasing nanotube length.

The purpose of this study is to investigate the proposition that the components in the gas phase fail to diffuse through carbon nanotubes resulting in mass transfer-limited growth of carbon nanotubes. For this purpose, experiments were carried out in a cold wall chemical vapor deposition system to produce carbon nanotube forests and growth was modeled theoretically. 

For various temperatures and acetylene concentrations, growth rates of carbon nanotubes were obtained experimentally. Arrhenius plots were constructed and activation energy of carbon nanotube growth process was calculated. It was proved that the process was neither adsorption-, nor carbon dissolving in catalyst-limited, but mass transfer-limited. It was also shown that catalyst deactivation was irrelevant. The maximum length that a carbon nanotube could reach, increased with increasing area of diffusion. The process which was considered as a porous structure made up of carbon nanotubes, was modeled and solved both analytically and numerically. Conditions that experimental and theoretical findings fit were determined and discussed.