Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок
В інтервалі 293—333 К виміряно ріжницю ET між термо-ерс сухого порошку з вуглецевих нанорурок (ПВНР) і термо-ерс ПВНР після адсорбції рідин. ET зменшується в серії рідин: алькоголь, уайт-спірит, вода. ET > 0 в ПВНР, ET < 0 в графітовому порошку. ET виникає завдяки адсорбції і тунелюванню заряд...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2010
|
| Schriftenreihe: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/72475 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок / В.С. Копань, Н.В. Хуторянська, Ю.В. Копань // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 1. — С. 177-184. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-72475 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-724752014-12-24T03:01:47Z Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок Копань, В.С. Хуторянська, Н.В. Копань, Ю.В. В інтервалі 293—333 К виміряно ріжницю ET між термо-ерс сухого порошку з вуглецевих нанорурок (ПВНР) і термо-ерс ПВНР після адсорбції рідин. ET зменшується в серії рідин: алькоголь, уайт-спірит, вода. ET > 0 в ПВНР, ET < 0 в графітовому порошку. ET виникає завдяки адсорбції і тунелюванню зарядів через щілини між частинками порошку. The difference ET between the thermoelectric power (TEP) of dry carbon nanotubes powder (CNTP) and TEP of CNTP after liquids adsorption is measured within the temperature range from 293 K to 333 K. The ET is decreasing in the series of liquids: alcohol, white spirit, water. The ET > 0 in CNTP, and ET < 0 in graphite powder. The ET arises owing to adsorption and tunnelling of charges across gaps between the powder particles. В интервале 293—333 К измерена разность ET между термо-эдс сухого порошка из углеродных нанотрубок (ПУНТ) и термо-эдс ПУНТ после адсорбции жидкостей. ET уменьшается в серии жидкостей: алкоголь, уайт-спирит, вода. ET > 0 в ПУНТ, ET < 0 в графитовом порошке. ET возникает благодаря адсорбции и туннелированию зарядов через щели между частицами порошка. 2010 Article Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок / В.С. Копань, Н.В. Хуторянська, Ю.В. Копань // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 1. — С. 177-184. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 62.23.Pq, 72.20.Pa, 72.80.Rj, 72.80.Tm, 81.05.ub, 81.07.Wx, 85.85.+j http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/72475 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
В інтервалі 293—333 К виміряно ріжницю ET між термо-ерс сухого порошку з вуглецевих нанорурок (ПВНР) і термо-ерс ПВНР після адсорбції рідин. ET зменшується в серії рідин: алькоголь, уайт-спірит, вода. ET > 0 в ПВНР, ET < 0 в графітовому порошку. ET виникає завдяки адсорбції і тунелюванню зарядів через щілини між частинками порошку. |
| format |
Article |
| author |
Копань, В.С. Хуторянська, Н.В. Копань, Ю.В. |
| spellingShingle |
Копань, В.С. Хуторянська, Н.В. Копань, Ю.В. Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| author_facet |
Копань, В.С. Хуторянська, Н.В. Копань, Ю.В. |
| author_sort |
Копань, В.С. |
| title |
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок |
| title_short |
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок |
| title_full |
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок |
| title_fullStr |
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок |
| title_full_unstemmed |
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок |
| title_sort |
термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| publishDate |
2010 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/72475 |
| citation_txt |
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих нанорурок / В.С. Копань, Н.В. Хуторянська, Ю.В. Копань // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 1. — С. 177-184. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
| series |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| work_keys_str_mv |
AT kopanʹvs termoelektričnijadsorbcíjnijefektvporoškuvuglecevihnanorurok AT hutorânsʹkanv termoelektričnijadsorbcíjnijefektvporoškuvuglecevihnanorurok AT kopanʹûv termoelektričnijadsorbcíjnijefektvporoškuvuglecevihnanorurok |
| first_indexed |
2025-07-05T21:16:35Z |
| last_indexed |
2025-07-05T21:16:35Z |
| _version_ |
1836843214096564224 |
| fulltext |
177
PACS numbers: 62.23.Pq, 72.20.Pa, 72.80.Rj, 72.80.Tm, 81.05.ub, 81.07.Wx, 85.85.+j
Термоелектричний адсорбційний ефект в порошку вуглецевих
нанорурок
В. С. Копань, Н. В. Хуторянська, Ю. В. Копань
Київський національний університет імені Тараса Шевченка,
вул. Володимирська, 64,
01601 Київ, Україна
В інтервалі 293—333 К виміряно ріжницю ET між термо-ерс сухого поро-
шку з вуглецевих нанорурок (ПВНР) і термо-ерс ПВНР після адсорбції
рідин. ET зменшується в серії рідин: алькоголь, уайт-спірит, вода. ET > 0 в
ПВНР, ET < 0 в графітовому порошку. ET виникає завдяки адсорбції і ту-
нелюванню зарядів через щілини між частинками порошку.
The difference ET between the thermoelectric power (TEP) of dry carbon nano-
tubes powder (CNTP) and TEP of CNTP after liquids adsorption is measured
within the temperature range from 293 K to 333 K. The ET is decreasing in the
series of liquids: alcohol, white spirit, water. The ET > 0 in CNTP, and ET < 0 in
graphite powder. The ET arises owing to adsorption and tunnelling of charges
across gaps between the powder particles.
В интервале 293—333 К измерена разность ET между термо-эдс сухого по-
рошка из углеродных нанотрубок (ПУНТ) и термо-эдс ПУНТ после ад-
сорбции жидкостей. ET уменьшается в серии жидкостей: алкоголь, уайт-
спирит, вода. ET > 0 в ПУНТ, ET < 0 в графитовом порошке. ET возникает
благодаря адсорбции и туннелированию зарядов через щели между час-
тицами порошка.
Ключові слова: термоелектрорушійна сила, вуглецеві нанорурки, поро-
шок, адсорбція.
(Отримано 22 березня 2010 р.)
1. ВСТУП
В адсорбційних аналізаторах газів і рідин використовують плівки,
мікродроти, волокна та інші об’єкти з великою питомою поверхнею
[1]. Адсорбція газів і рідин змінює електроопір, наприклад. За його
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2010, т. 8, № 1, сс. 177—184
© 2010 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
178 В. С. КОПАНЬ, Н. В. ХУТОРЯНСЬКА, Ю. В. КОПАНЬ
величиною визначають наявність домішок у середовищі, що аналі-
зується. Порошки використовують для цих цілей у спеченому порис-
тому стані. Насипні порошки мало придатні, бо їх електроопір змі-
нюється не лише за рахунок адсорбції, а й від дії вібрацій (звуку, на-
приклад). Не відомі літературні джерела, в яких би повідомлялось
про вплив адсорбції на термо-ерс насипних порошків [2]. Досліджен-
ня цього явища цікаве з точки зору фізики і корисне для практично-
го використання в аналізаторах рідин на домішки, бо термо-ерс чут-
лива до домішок, як і опір, але мало чутлива до вібрацій.
Мета роботи — дослідження впливу адсорбції на термо-ерс насип-
ного порошку з вуглецевих нанорурок.
2. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
Схемe пристрою для вимірювання впливу адсорбції на термо-ерс
наведенj на рис. 1.
Термо-ерс ЕТ вимірювали потенціометром 1 з вхідним опором 20
Ом і ціною поділки шкали 10−8
В. Етальонна гілка термопари – це
циліндер 2 діяметром 5 мм і довжиною 30 мм, виготовлений з полі-
кристалічного графіту чистотою 99,994%. Зразок 3 – це пустоті-
лий циліндер з еластичної пластмаси («кембрик» для електротех-
ніки), наповнений порошком з нанорурок, або з графіту. Етальон 2 і
зразок 3 затиснуті в парі холодних мідних клем 4 і 5 та в гарячій 6.
ВС ≈ AD = 23—25 мм. В порожнині 7 клеми 6 циркулює вода з тем-
пературою Тг = 64±0,05°С; в порожнині 8 між холодними клемами,
що розділені ізолятором 9, – трансформаторне мастило з темпера-
турою Тх = 20±0,1°С. Завдяки циркуляції цих рідин ріжниця тем-
ператур точок A і B та C і D попарно не перевищує ∆Т = 0,0001°С.
Цим виключаються паразитні термо-ерс, що виникають внаслідок
контакту зразка 3 і етальону 2 з мідними клемами [3]. Кінці оболо-
нки зразка 3 заварені для того, щоб порошок не висипався. Внизу
оболонки навколо точок В і С є отвори, через які порошок контак-
тує з мідними клемами. Вгорі оболонки є отвір навколо точки L, че-
рез який в порошок закапують потрібну кількість рідини, адсорб-
1
2
34
9
5
8 7
B
A
C L
D
6
Рис. 1. Схема пристрою для міряння впливу адсорбції на термо-ерс
ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ АДСОРБЦІЙНИЙ ЕФЕКТ В ПОРОШКУ C НАНОРУРОК 179
цію якої вивчають. Спочатку вимірюють термо-ерс EC сухого поро-
шку відносно графітового етальону. Потім, після закапування рі-
дини, вимірюють ETi(t), що змінюється з часом адсорбції. Визнача-
ють ріжницю ET = ETi(t) − EС, обумовлену адсорбцією.
3. ЕСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Вуглецеві нанорурки (ВНР), адсорбцію яких вивчали, мали діяметер
h ≈ 53 нм. Їх засипали в рурку з еластика, трамбуючи сірником, щоб
густина досягала значення 0,02 г/см
3. Термо-ерс сухого зразка 3 (рис.
1) відносно полікристалічного графітового етальону 2 була EС = 3,3
мкВ/К. Термо-ерс графітового етальону відносно олива ET = 4,6
мкВ/К. Вивчалась також адсорбція графітового порошку (ГП) з дія-
метром частинок h = 15—20 мкм, одержаного розмелюванням (розти-
ранням) у графітовому тиґлі уламків графіту, з якого був виготовле-
ний етальон 2 (рис. 1). Порошок був просіяний через сита, засипаний
в еластичну рурку до густини 0,01 г/см
3. В 1959 р. було вперше знай-
дено, що термо-ерс металів змінюється при їх деформації [4]. Графі-
тові матеріяли не є виключенням [5]. Тому графітовий порошок для
зняття залишкових напруг був відпалений при 600°С протягом 2 го-
дин у вакуумі 10−4
мм рт. ст. Його термо-ерс відносно графітового ета-
льону EС = 22 мкВ/К. На рисунках 2—4 наведено залежності
ET = ETi(t) − EС від часу t, тобто приріст термо-ерс, обумовлений адсор-
бцією обраної рідини. Діяметер (2 мм) отвору А підібраний так, щоб
адсорбція—десорбція відбувались повільно і їх можна було поміряти
інерційним приладом. Маємо наступні закономірності.
Адсорбція етанолу, води, уайт-спіриту порошком НР супроводжу-
а б
Рис. 2. Залежність від часу приросту (внаслідок адсорбції етилового спир-
ту) термо-ерс ЕТ порошку НР (а) та графітового порошку (б). Максимуми і
мінімуми 1, 2, 3, 4 ЕТ обумовлені адсорбцією 2, 4, 4, 4% об., відповідно.
Стрілками показано початок чергового циклю адсорбції.
180 В. С. КОПАНЬ, Н. В. ХУТОРЯНСЬКА, Ю. В. КОПАНЬ
ється зміною термо-ерс. Поперечне стискання зразка 3 (рис. 1),
«пружність» якого забезпечується пружністю пластмасової оболон-
ки, заповненої сухим порошком НР, обумовлює зменшення термо-
ерс EC (рис. 5). Це можна пояснити наступним чином.
а б
Рис. 3. ЕТ(t), обумовлена адсорбцією уайт-спіриту порошком НР (а) та гра-
фітовим порошком (б). Максимуми і мінімуми 1, 2, 3 – адсорбція 2, 4, 4%
об. рідини, відповідно.
а б
в
Рис. 4. ЕТ(t), обумовлена адсорбцією води графітовим порошком (а, б) та
порошком НР (в). Максимуми 1, 2, 3 – адсорбція 4, 4, 4% об. води.
ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ АДСОРБЦІЙНИЙ ЕФЕКТ В ПОРОШКУ C НАНОРУРОК 181
Термо-ерс вуглецевих матеріялів при Т > 100 К обумовлена в кри-
сталітах дифузією носіїв зарядів з гарячої области в холодну (як в
металах) і їх дифузією по стрибковому механізму зі змінною дов-
жиною стрибка в аморфних ділянках [5]. При адсорбції етанолу,
уайт-спіриту, води, їх молекулі не проникають у середину криста-
літів, а зосереджуються на поверхнях, в порах тощо. Це не впливає
на дифузійну складову термо-ерс ні за механізмами, що характерні
для металевих кристалів, ні за стрибковим механізмом. Насипні
порошки, які ми досліджували, мають додаткові потенціяльні
бар’єри для дифузії зарядів, що знаходяться в точках електрокон-
тактів частинок порошку. Проходження електроструму через стру-
ктуру метал—діелектрик—метал вперше розглянуто в роботі [6] за
допомогою моделю тунелювання зарядів через діелектрик. Розгля-
немо, чи придатний модель тунелювання для пояснення наших ре-
зультатів у спрощеному варіянті теорії [7].
Нехай електрон, що має кінетичну енергію E = kBT = kB⋅293 К = 0,02
еВ (температура міряння ET, нагадуємо, 293—333 К), потенціяльну
енергію U = 0 і масу m з першої частинки порошку налітає на потенці-
яльний бар’єр U2 > E (проміжок шириною ω між частинками). Ймові-
рність його появи в сусідній частинці, де потенціяльна енергія U3 ∼ U,
знайдемо, розв’язавши стаціонарне рівнання Шрединґера. Тоді:
( ) ( )
2
3 1 3
2 2 2 2
1 1 3
16
exp( 2 ),
J K K
J K K
γ
= − γω
+ γ + γ
(1)
( )= h
1/2
1 2 ,K mE (2)
( ) 1/2
3 3
1
2 ,K m E U⎡ ⎤= −⎣ ⎦h
(3)
Рис. 5. Залежність термо-ерс ЕС від деформації стискання ε порошку вуг-
лецевих нанорурок: 1 – гілка стискання; 2 – розвантаження.
182 В. С. КОПАНЬ, Н. В. ХУТОРЯНСЬКА, Ю. В. КОПАНЬ
( ) 1/2
2
1
2 ,m U E⎡ ⎤γ = −⎣ ⎦h
(4)
J1 і J3 – густини потоку електронів, що налітають на бар’єр ω і тих,
які проходять, тунелюючи, в сусідню частинку, відповідно.
До сьогодення справедливою є формула Мотта (5), що зв’язує еле-
ктропровідність σ(E) з дифузійною частиною термо-ерс ET [5, 8]:
=
σ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦
Ф
2 ln ( )
) ,
3
B
T
E E
T k T d E
E
e dE
(5)
де EФ – Фермієва енергія. Формула (5) пояснює механізм ґенеру-
вання термо-ерс при дифузії зарядів і їх розсіянні на точкових де-
фектах, дислокаціях, порах, границях зерен та ін., що в своїх обла-
стях змінюють σ(E), енергію Е, і навіть, EФ [8]. Ширина потенція-
льного бар’єру ω входить в експоненту (1), а його висота U2 – в пе-
редекспоненційний множник і експоненту (через γ). Змінюючи ω і
U2 адсорбцією та деформацією порошку, змінюємо J3/J1, тобто змі-
нюємо і σ(E). Тоді, як випливає з (5), змінюватиметься і ЕТ. Це і спо-
стерігаємо на досліді (рис. 2—5).
Експоненційний спад ЕC(ε) (рис. 5) обумовлений тим, що ω змен-
шується при збільшенні деформації стискання ε, зростає при цьому
експоненційно J3/J1 в (1), тобто, зростає термострум у порошковій
гілці термопари, наближаючись до величини термоструму у графі-
товому етальоні. Тому зменшується ЕC. Коли термоструми, що те-
чуть від гарячого спаю до холодних кінців термопари, в обох гілках
однакові, ЕC = 0 Деформація порошку здійснюється за рахунок зме-
ншення порожняви між частинками, бо їх в порошку НР понад
95% об. (густина графіту 2,1 г/см
3, порошку – 0,02 г/см
3). Адсорб-
ційна ЕТ графітового порошку від’ємна, а НР – додатна. Це мож-
ливо, згідно (1) і (4), коли при адсорбції спадає висота потенціяль-
ного бар’єру U2 в графітовому порошку, а в порошку нанорурок –
зростає.
В багатошарових і волокнистих композиціях з нанорозмірними
елементами структури можливе як зменшення, так і збільшення
σ(E) за рахунок розсіяння вільних носіїв зарядів на границях між
шарами (волокнами) і за рахунок зменшення висоти потенціяльних
бар’єрів U2 на заокругленнях з малим радіюсом кривини [9, 10].
Адсорбція на вістрях (кінці нанорурок) і на западинах та пласких
ділянках частинок графітового порошку теж відбувається неодна-
ково. Крім того, можливе капілярне засмоктування рідини в сере-
дину нанорурок. На початковому етапі вивчення термоелектрично-
го адсорбційного ефекту важко вказати конкретну причину зміни
U2 в НР і графітовому порошку.
Порошок можна розглядати як полікристал з широкими грани-
ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ АДСОРБЦІЙНИЙ ЕФЕКТ В ПОРОШКУ C НАНОРУРОК 183
цями у стані великої пластичної деформації, коли дифузійна час-
тина термо-ерс залежить від розсіяння зарядів на дефектах криста-
лічної будови в кристалітах, визначається стрибковим механізмом
(зі змінною довжиною стрибка) в аморфізованих ділянках, тунелю-
ванням зарядів через великі перешкоди на їх шляху.
Етанол добре змочує графітові матеріяли, вода – найгірше. То-
му, за абсолютною величиною ЕТ зменшується при адсорбції рідин
по ряду: етанол, уайт-спірит, вода.
Зміна ЕТ при десорбції етанолу здійснюється найшвидше, води –
найповільніше. Це обумовлено тим, що Ег ≈ 64°С, і близька до точ-
ки кипіння етанолу. Десорбція також залежить від діяметра отвору
L (рис. 1). Ми підібрали такий діяметер (2 мм), щоб можна було
встигати вимірювати ЕТ(t).
Зміна ЕТ тим більша, чим більше адсорбовано порошком етанолу
чи уайт-спіриту (рис. 2, 3). Адсорбція-десорбція води здійснюється
занадто повільно (рис. 4, б), так що один цикль становить ∼ 50 го-
дин.
Зі збільшенням кількости циклів адсорбція-десорбція наступає
насичення адсорбенту з графітового порошку, в результаті чого зме-
ншується амплітуда ЕТ (рис. 2, б). Насичення можна ліквідувати, ви-
тримуючи порошкову гілку термопари при підвищеній температурі.
4. ВИСНОВКИ
Внаслідок адсорбції етанолу, уайт-спіриту або води насипним по-
рошком з вуглецевих нанорурок або з графіту змінюється термо-ерс
на величину ЕТ. ЕТ > 0 в порошку НР, і ЕТ < 0 в графітовому порош-
ку.
Ґенерація ЕТ насипними порошками в значній мірі обумовлена
тунелюванням зарядів через проміжки між частинками.
При поперечному до ґрадієнту температури стисканні сухого на-
сипного порошку НР змінюється термо-ерс ЕС за рахунок зміни
проміжків (ширини потенціяльних бар’єрів) між нанорурками.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. А. Адамсон, Физическая химия поверхности (Москва: Мир: 1979).
2. З. А. Дурягіна, Фізика та хімія поверхні (Львів: Львівська політехніка: 2009).
3. В. Д. Борисенко, В. С. Копань, В. Б. Бессонов, Термоэлектрическое устрой-
ство для контроля неоднородности материалов (Авт. св. СССР №750357)
(Бюллетень изобретений, № 27 (1980)).
4. С. Д. Герцрикен, Н. Н. Новиков, В. С. Копань, УФЖ, 4, № 3: 293 (1959).
5. Л. Ю. Мацуй, Автореферат доктор. дисертації (Київ: Київський націона-
льний університет імені Тараса Шевченка: 2005).
6. Г. Бете, А. Зоммерфельд, Электронная теория металлов (Москва—Ленинград:
184 В. С. КОПАНЬ, Н. В. ХУТОРЯНСЬКА, Ю. В. КОПАНЬ
ОНТИ: 1938).
7. Л. Солимар, Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение
(Москва: Мир: 1974).
8. А. А. Лухвич, Влияние дефектов на электрические свойства металлов
(Минск: Наука и техника: 1976).
9. В. С. Копань, А. В. Лысенко, Физика металлов и металловедение, 29, № 5:
1074 (1970).
10. Л. П. Булат, І. А. Драбкін, Г. І. Пивоваров, В. Б. Освенський, Термоелект-
рика, № 4: 27 (2008).
|