Karbon nanotüp üretiminde katalizörün gaz fazı derişim profiline etkisinin incelenmesi
Effect of catalyst on the gas phase concentration profile in carbon nanotube production
Yazar: SAVAŞ YAĞLIKÇI
Danışman: PROF. DR. BURHANETTİN ÇİÇEK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Katalizörler = Catalysts ; Kimyasal kinetik = Chemical kinetics ; Kinetik analiz = Kinetic analysis ; Nano yapı = Nano structure ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Nanotüp = Nanotube

Özet:
Karbon nanotüpler (KNT) 1991 yılında Iijima tarafından keşfedilmiştir. KNT'ler keşfedilmelerinden itibaren sahip olukları üstün elektronik, mekanik ve elektriksel özellikler nedeni ile araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Ancak gelecek vaat eden özelliklerine karşın özellikle yığın üretim yapılması konusunda karşılaşılan sorunlar nedeni ile KNT'lerin pratik uygulamalarında beklenen sonuçlara ulaşılamamaktadır. Bu sorunların aşılıp KNT'lerin gerçek potansiyellerini gösterebilmeleri için KNT üretim mekanizmasının tam olarak anlaşılabilmesi gerekmektedir. KNT oluşumu yüzey tepkimeleri aracılığı ile gerçekleştiği için katı faz kinetiği önemli bir araştırma konusu durumundadır. Ancak kimyasal buhar biriktirme (CVD) gibi yöntemlerde KNT üretimi esnasında gaz faz reaksiyonlar da gerçekleşmektedir. KNT oluşum mekanizmasının anlaşılabilmesi için her iki mekanizmanın da anlaşılması zorunlu olmakla beraber günümüze kadar gaz faz mekanizmanın aydınlatılmasına yönelik yeterli çalışma yapılmamıştır.Bu çalışmanın amacı CVD yöntemi ile KNT sentezinin gerçekleştirilmesi ve bu esnada gaz fazda gerçekleşen olayların aydınlatılması için bir temel oluşturmaktır. Bu amaçla CVD sisteminde KNT sentezi çalışmaları yapılmış ve reaktörden farklı kalma sürelerinde gaz faz numuneler toplanarak gaz faz derişim profillerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Gaz faz derişim profillerine karbon kaynağı olan asetilen (C2H2) besleme oranı ve katalizör etkilerinin de incelenmesi amaçlanmıştır.Çalışma sonucunda KNT büyümesinin gerçekleştirildiği belirlenmiştir. KNT üretimi esnasında gaz fazda başta benzen olmak üzere 20 adet bileşen tespit edilmiştir. Gaz faz ürünlerin derişimleri hesaplanmış ve bu hesaplamalarda da gerek piroliz ile katalizörlü deneyler arasında gerekse farklı C2H2 besleme oranlarında farklı derişim değerlerine ulaşılmıştır. C2H2 dönüşüm oranları da belirlenmiştir ve örneğin % 10 C2H2 besleme oranı için piroliz tepkimelerinde % 25 olan dönüşüm oranının KNT üretimi esnasında % 48 seviyesine çıktığı bulunmuştur. Asetilen harcanmasını temsil eden toplam tepkimenin mertebesi belirlenerek farklı katalizör oranlarının tepkime mertebesini nasıl değiştirdiği dolayısıyla KNT oluşumunun asetilen harcanma hızına etkileri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar katalizörün ve asetilen (C2H2) besleme oranının gaz faz davranışlara etki ettiğini göstermiştir.

Abstract:
Carbon nanotubes (CNT) were discovered by Iijima in 1991. CNT?s superior electronic, mechanical and electrical features attract researchers since revealed. But despite promising features, especially because of problems encountered in mass production, expected results are not achieved in the practical applications of CNT. To overcome these problems and see the real potential of CNTs, CNT production mechanism needs to be understood clearly. Realized through the formation of surface reactions, CNT solid phase kinetics is an important research topic. However, for methods as chemical vapor deposition (CVD), during the production of CNT, gas phase reactions are possible as well. To be understood of CNT formation mechanism, both mechanism require understanding, but so far enough work have not been provided to illuminate gas phase mechanism.The purpose of this work is to be performed CNT synthesis with CVD method and create a base for the illumination of events that occur in gas phase. For this purpose CNT studies made by using CVD system, gas phase samples taken from reactor at different space times and intended for the determination of the gas phase concentration profiles. Gas phase concentration profiles of acetylene (C2H2) feedstock rate of carbon source and the effects of the catalyst are intended for the examination.As a result of the work performed, the growth of CNT is determined. During the CNT production, 20 gas phase species identifies, especially benzene. Concentration of gas phase products are calculated; different concentration values are achieved between the experiments with pyrolysis and catalyst, different concentration with different feed ranks and the different feeding rates of C2H2. C2H2 conversion rate also have been identified and for example in pyrolysis reactions, for % 10 C2H2 feed rate, % 25 conversion rate has increased to % 48 level during CNT production. Total reaction order by representing consuming of acetylene has been identified and how the different catalyst rates changed reaction order, therefore effects of CNT process to consuming speed of acetylene has been determined. The results show that catalyst and feedstock rates effects gas phase behavior.