تبديل مستقيم و يك مرحله‌اي زغال‌سنگ به نانوساختارهاي كربني با هندسه كروي، ميله‌اي، لوله‌اي و صفحه‌اي به روش سنتز شيميايي فاز جامد

Direct and one-stage conversion of coal into carbon nanostructures with spherical, rod, tube and plate geometry by chemical solid synthesis method

در اين مطالعه نانوساختارهاي كربني مختلف (نانوكره‌ها، نانوميله‌ها، نانولوله‌ها و نقاط كوانتوم گرافني) از كربوناسيون زغال‌سنگ بيتومنوس (با اندازه ذرات كمتر از 44 ميكرون) در فاز جامد توليد شد. از آن جايي كه سنتز در فاز جامد انجام گرفته است؛ اين روش به نام سنتز شيميايي كاتاليزوري فاز جامد نامگذاري شده است. در حضور كاتاليزور فروسن در دماي كربوناسيون °C650 و °C800 به ترتيب نانوكره‌هاي كربني (با قطر 60-50 نانومتر) و نانولوله‌هاي كربني (با قطر خارجي 30-20 نانومتر) در زمان كربوناسيون يك ساعت ساخته شد. تغيير نوع كاتاليزور از فروسن به نانوذرات مگنتيت (Fe3O4 با قطر70-50 نانومتر) در دماي °C800 به عنوان دماي رشد نانوساختارهاي كربني، منجر به توليد نانوميله‌هاي كربني (با قطر 80-60 نانومتر) شد. در صورت عدم حضور كاتاليزور، از كربونيزه كردن زغال سنگ در دماهاي °C650، °C800 و °C950 نانوساختار رشد يافته‌اي مشاهده نشد. اما با آماده سازي زغال سنگ در اسيد، افزايش دماي كربوناسيون از °C800 به °C950 و افزايش زمان كربوناسيون از 1 ساعت به 5 ساعت نقاط كوانتوم گرافن توليد شد. نمونه‌ها با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي و عبوري، پراش پرتو ايكس، طيف سنجي پراكندگي انرژي پرتو ايكس و طيف سنجي مرئي- فرابنفش آناليز شدند. نتايج نشان مي‌دهد كه پيك ماكزيمم طيف مرئي- فرابنفش نانوكره هاي كربني، نانوساختارهاي رشد يافته و نقاط كوانتوم گرافني به ترتيب: 214، 266 و بالاتر از 300 نانومتر مي باشد. قطر نانولوله هاي كربني در حد نانوذرات آهن (با قطر 50-20 نانومتر) ناشي از تجزيه فروسن و قطر نانوميله هاي كربني در حد قطر نانوذرات مگنتيت (با قطر 80-60 نانومتر) است.

In this Study, various carbon nanostructures (nanospheres, nanorods, nanotubes and Graphene quantum dots) were synthesized by carbonization of bituminous coal (less than 44 micron) in solid phase. Since synthesis has taken place in the solid phase, this method has been named the catalytic chemical solid synthesis. Carbon nanospheres (50-60 nm in diameter) and Carbon nanotubes (outer diameter: 20-30nm) were synthesized in the presence of Ferrocene as catalyst, carbonization time of one hour and at carbonization temperature of 650°C and 800°C respectively. The change in the type of catalyst from ferrocene to magnetite nanoparticles (Fe3O4, 50-70 nm in diameter) at 800°C ;as the growth temperature of carbon nanostructures;, resulted in the synthesis of carbon nanorods (60-80 nm in diameter). Without catalysts, the growing nanostructures were not observed at carboniztion temperatures of 650°C, 800°C and 950°C. However, with acid preparation, an increase in carbonization temperature from 800°C to 950°C and an increase in carbonization time from 1 hour to 5 hours, the graphene quantum dots were observed. Samples were analyzed by scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, Energy-dispersive X-ray and ultraviolet spectroscopy. The results show that the maximum peak UV-visible spectrum of carbon nanospheres, grown nanostructures and graphene quantum dots are 214, 266 and above 300 nm, respectively.The diameters of carbon nanotubes and nanorods are in the range of iron nanoparticles (20-50 nm in diameter); due to the ferrocene decomposition; and magnetite nanoparticles(60-80 nm in diameter) respectively.