สมบัติการปลดปล่อยอิเล็กตรอนของท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้นโดยการเติมไนโตรเจน

Abstract

การเจือไนโตรเจนในท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (N-MWCNTs) ถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีตกเคลือบไอระเหยทางเคมี (CVD) โดยใช้สารผสมของอิมิดาโซลกับเฟอร์โรซีนเป็นตัวกำเนิดคาร์บอน/ไนโตรเจน และเป็นวัตถุตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งของผสมอิมิโซลและเฟอร์โรซีนถูกวางควอตซ์และอยู่บริเวณกึ่งกลางของเตาความร้อนแบบท่อ ความแตกต่าง 3 เงื่อนไขของการใส่แก๊ส ได้แก่ ไฮโดรเจน แอมโมเนีย และ แก๊สผสมอะเซทีลีนกับแอมโมเนีย เข้าสู่ระบบการสังเคราะห์ ถูกใช้ในการเปลี่ยนแปลงปริมาณของไนโตรเจนและสัญฐานวิทยาของการสังเคราะห์ท่อ N-MWCNTs สำหรับ เงื่อนไขการไหลของแก๊ส ไฮโดรเจน แอมโมเนีย และอะเซทีลีนผสมกับแอมโมเนียเข้าสู่ระบบการสังเคราะห์ ถูกแสดงด้วยสัญลักษณ์ (5H,10H) (10A,20A,30A) และ (1l,2l,5l) ตามลำดับ การตรวจสอบผลของไนโตรเจนที่บรรจุอยู่ในตัวอย่างของท่อ N-MWCNTs ต่อลักษณะทาง โครงสร้างความเป็นผลึก และสมบัติการปลดปล่อยอิเล็กตรอน ถูกทำการวิเคราะห์ สำหรับโครงสร้างและความเป็นผลึก ทำการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราด (SEM)และ กล้องจุลทรรศน์แบบส่องผ่าน (TEM)ขณะที่เทคนิคฟูเรียร์ทรานฟอร์มอินฟราเรดสเปกโตรสโคปี (FT-IR) และเอกซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปี (XPS) ถูกใช้ในการหาสถานะพันธะทางเคมีและองค์ประกอบของธาตุในท่อ N-MWCNTs จากการวิเคราะห์ด้วย XPS ของสเปกตรัม N1s แสดงชนิดตำแหน่งการเกิดของไนโตรเจน 3 รูปแบบ (pyrrolic, pylinidicoxidและ quarternary) และมีปริมาณไนโตรเจนที่บรรจุสูงถึง 4.06 at% ในตัวอย่าง 10H นอกจากนี้ ยังพบว่าปริมาณไนโตรเจนที่บรรจุอยู่ในท่อมีความสัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างปล้องไผ่ของท่อ N-MWCNTs ซึ่งการเพิ่มขึ้นของปริมาณไนโตรเจนที่บรรจุในท่อมีผลที่สำคัญต่อการลดลงของระยะห่างระหว่างปล้องไผ่อย่างมีนัยสำคัญ ในการวัดการปลดปล่อยอิเล็กตรอนภายใต้สนามไฟฟ้าของท่อ N-MWCNTs แสดงผลการปลดปล่อยอิเล็กตรอนที่ดีภายใต้สนานไฟฟ้าที่ต่ำเปรียบเทียบกับท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้นบริสุทธิ์ (MWCNTs) ซึ่งจากผลดังกล่าวนี้ สังเกตเห็นได้ว่าการเพิ่มขึ้นของปริมาณไนโตรเจนที่บรรจุภายในท่อเป็นสาเหตุของการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าของท่อ N-MWCNTs

Nitrogen doped multiwalled carbon nanotubes (N-MWCNTs)were synthesized by the chemical vapor deposition (CVD) method using imidazole/ferrocene mixture as the C/N precursor and catalyst material. The mixture was put in the quartz boat and placed inside the center of the tube furnace. The three different conditions of inserting gas as hydrogen, ammonia and mixture of acetylene and ammonia into the reactor were used for verified nitrogen containing and morphologies of the N-MWCNTs. The condition of flow gas hydrogen, ammonia and the mixture of acetylene and ammonia were symbolized by (5H,10H) (10A,20A,30A) and (1l, 2l, 5l), respectively. To investigate the effect of nitrogen content in N-MWCNTs on theirs microstructure, crystallinity and field emission properties were analyzed. The microstructure and crystallinity were obtained by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and Raman spectroscopy. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to determine the chemical bonding state and composition of the N-MWCNTs. Analysis of XPS N1s spectra show three principle types of nitrogen coordination (pyrrolic, pylinidic oxide and quarternary) with the nitrogen content as high as 4.06% in sample 10H. In addition, it has been found that the nitrogen content in tubes correlated with the compartment bamboo distance of N-MWCNTs. An increase of the nitrogen content resulted in a significant decrease of the compartment bamboo distance. Electron field emission measurement of N-MWCNTs show a good emitter with low turn on field compared to the pure multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). It was seen that the increasing of nitrogen content causes an increase of the current density of N-MWCNTs.