Simulación y análisis de la deposición química de vapor en la síntesis de nanotubos de carbono

Abstract

The purpose of this study is the analysis of the influence of reaction temperature and carrier flow on the characteristics of carbon nanotubes obtained, to optimize the process parameters and generate better growth of carbon nanotubes. The carbon nanotubes are obtained by Chemical Vapor Deposition with temperature of 800, 850 and 900 °C and argon carrier flow at 50, 80 and 110 ml/min from ferrocene and benzene during 1 h. Through computational fluid dynamics, is obtained turbulence model, gas flow rates, volume concentrations of benzene and rate deposition of carbon nanotubes, in relation to changes in temperature and rate flow. The carbon nanotubes obtained are analyzed with a field emission scanning electron microscope (FESEM) JSM-7600F. The degree of crystallinity of the samples is studied from the diagrams obtained by X-ray powder diffraction (XRD). The observed lengths of the CNTs are 3-120 microns and diameters are 8-144 nm. The highest percentage of CNTs (≈90%) is obtained with a flow rate of 80 ml/min and temperature of 850 °C. The diagrams illustrate XRD diffraction peaks corresponding to crystalline phases of graphite, Fe α and cementite (Fe3C). The average CNTs walls were calculated with the Scherrer equation. The CNTs obtained with 50 ml/min carrier flow present an average of 40-42 walls, 80 ml/min of 33-39 walls and 110 ml/min of 30-34 walls.

El propósito de este estudio es el análisis de la influencia de la temperatura de reacción y el flujo portador en las características de los nanotubos de carbono obtenidos, para optimizar los parámetros de proceso y generar un mejor crecimiento de nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono se obtienen por deposición química de vapor con temperaturas de 800, 850 y 900 °C y el flujo portador de gas argón 50, 80 y 110 ml/min con ferroceno y benceno durante 1 h. A través de dinámica de fluidos computacional, se obtiene modelo de turbulencia, las tasas de flujo de gas, concentraciones de volumen de benceno y la tasa de deposición de nanotubos de carbono, en relación con los cambios de temperatura y de flujo. Los nanotubos de carbono obtenidos se analizaron con un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) JSM-7600F. El grado de cristalinidad de las muestras se estudió a partir de los diagramas obtenidos por difracción de polvo de rayos X (XRD). Las longitudes observadas de los nanotubos de carbono son de 3-120 micras y diámetros de 8-144 nm. El mayor porcentaje de CNT (≈ 90%) se obtiene con una velocidad de flujo de 80 ml/min y temperatura de 850 °C. Los diagramas ilustran los picos de difracción de XRD correspondientes a fases cristalinas de grafito, Fe α y cementita (Fe3C). El número promedio de paredes de los CNTs se calcularon con la ecuación de Scherrer. Los nanotubos de carbono obtenidos con flujo de gas portador 50 ml/min presentan un promedio de 40-42 paredes, 80 ml/min de 33-39 de paredes y 110 ml/min de 30-34 paredes.