využití kalorimetrie při studiu nanočástic jindřich leitner vŠcht praha
Post on 09-Jan-2016
61 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Využití kalorimetrieVyužití kalorimetriepři studiu nanočásticpři studiu nanočástic
Jindřich LeitnerVŠCHT Praha
Obsah přednáškyObsah přednášky
1. Velikost a tvar nanočástic 1. Velikost a tvar nanočástic
……
2. Povrchová energie …2. Povrchová energie …
3. Teplota a entalpie tání …3. Teplota a entalpie tání …
4. Tepelná kapacita a 4. Tepelná kapacita a
entropie …entropie …
5. Molární entalpie …5. Molární entalpie …
„„Nanománie“Nanománie“
NANO …NANO …Mediální bublina,Mediální bublina,nebo nový impuls vědeckého pokroku ?nebo nový impuls vědeckého pokroku ?
NanotechnologyNanotechnology 923941923941
Nanoparticle(s)Nanoparticle(s) 258039258039
Nanostructure(s)Nanostructure(s) 140485140485
Nanocrystal(s)Nanocrystal(s) 8640986409
Nanomaterial(s)Nanomaterial(s) 3337733773
48 %
12.5.201112.5.2011
„„Nanománie“Nanománie“
Proč jsou „jiné“ ?Proč jsou „jiné“ ?
Vliv povrchových atomů na „průměrné“ vlastnosti nanočásticVliv povrchových atomů na „průměrné“ vlastnosti nanočástic
surf surfnp surf bulk
N N NZ Z Z
N N
Velikost a tvar nanočásticVelikost a tvar nanočástic
Volné nanočástice 100-102 nm- atomová struktura jako bulk (vliv zvýšeného tlaku)- vnější tvar odpovídá min Fsurf (Wulffova konstrukce)
AgAgAgAg
Velikost a tvar nanočásticVelikost a tvar nanočástic
Volné nanočástice 1 nm- atomová struktura jako bulk - pseudokrystalická struktura (pětičetná osa symetrie)- struktura s nízkou mírou uspořádání
CuCuCuCu
(γsurf) - Reversibilně vykonaná práce při vzniku jednotkové plochy nového povrchu bez elastické deformace (skalární veličina). Jsou přerušeny vazby mezi atomy, na novém povrchu se objeví nové atomy, jsou zachovány délky vazeb, nemění se atomová hustota povrchu.
a = 1
a = 1/2
surf surf surf surfd ,w A w A
Vytvoření nového povrchu
Povrchová energiePovrchová energie
surf, , , , , , , ,S V n S p n T V n T p n
U H F G
A A A A
Povrchová energie pevných látek:• se liší od povrchového napětí (surface stress)• je anizotropní (hkl)• lze vypočítat (ab-initio, semiempirické metody, empirické metody a korelace)
2surf
2surf
(cub) 1,66 0,14 Jm
(mon) 2,78 0,49 Jm
Povrchová energiePovrchová energie
ds, ds,surf surf
r
r
H Hh
A
Rozpouštěcí kalorimetrie
2 3 2 3 dsY O (s) + solvent Y O (solution), H
YY22OO33
Kubická (patm) a monoklinická (HP) modifikace
Rozpouštěcí kalorimetrie- Vzorky (cub) a (mon) o různém měrném povrchu- Rozpouštědlo 3Na2O·4MoO3
- Teplota 700 °C
Povrchová energiePovrchová energie
Rozpouštěcí kalorimetrie
TiOTiO22 (anatas) (anatas)
TiOTiO22 (rutil) (rutil)
2,2 J/m2
1,0 J/m2
0,4 J/m2
F
m(s) (l)F
fus
31RT V
T H r
2 3F
m(s) m(l)(s) (l)F
fus (s) m(s)
21r
V VT
T H r V
PawlowPawlow, 1909, 1909
Guisbiers, 2009Guisbiers, 2009
Teplota táníTeplota tání
http://en.wikipedia.org/wiki/Melting-point_depression
Teplota táníTeplota tání
DSC
TA 2970, 10 mg, 5 °C/min N2(gas)
d = 85 10 nm d = 26 10 nm
SnSnSnSn SnSnSnSn
Tepelná kapacitaTepelná kapacita
,V pV p
U HC C
T T
D
3 4Dvib D D20
D
exp( )9 d , Θ
Θ exp( ) 1
xT x xC NR x x T
x
1/ 2FD,
FD,
r rT
T
AuAuAuAu
vib dil el ...pC C C C
Tepelná kapacitaTepelná kapacita
Tepelná kapacita – oblast nízkých teplot (T < 300 K)
CuCuCuCu
CuCuCuCu
vib el ...pC C C B
Tepelná kapacitaTepelná kapacita
Materiál (velikost)Materiál (velikost) Metoda (obor teplot)Metoda (obor teplot) Ref.Ref.
Cu (8 nm) DSC (150-300 K) Rupp, PRB 1987
Pd (6 nm) DSC (150-300 K) Rupp, PRB 1987
Se (10 nm) DSC (225-500 K) Sun, PRB 1996
Ni (40 nm) AC (78-370 K) Wang, TCA 2002
CoO (7 nm) RT (0,6-40 K), AC (10-320 K) Wang, CM 2004
α-Fe2O3 (15 nm) RT (1,5-38 K), AC (30-350 K) Snow, JCT 2010
Fe3O4 (13 nm) RT (0,5-38 K), AC (50-350 K) Snow, JPC 2010
SiO2 (20 nm) AC (9-354 K) Wang, JNCS 2001
Al2O3 (20 nm) AC (78-370 K) Wang, JNR 2001
TiO2 (14-26 nm) AC (78-370) Wu, JSSC 2001
ZnFe2O4 ( 8-39 nm) RT (1-40 K) Ho, PRB 1995
ZnO (30 nm) AC (83-350 K) Yue, WHX 2005DSC … diferenční skenovací kalorimetrie, RT … tepelně-pulzní kalorimetrie (měření relaxačního času), AC … adiabatická kalorimetrie
Molární entalpieMolární entalpie
mm md d dp
p
HH T C T
T
ref
m m ref m dT
pTH T H T C T
HHmm(298,15 K) = 0 (p(298,15 K) = 0 (poo = 100 kPa) = 100 kPa)pro prvky v termodynamicky stabilním stavu (skupenství resp. strukturní modifikaci)
HHmm(298,15 K) = Δ(298,15 K) = ΔtrtrHH (p (poo = 100 = 100 kPa)kPa)pro prvky v jiném stavu
HHmm(298,15 K) = Δ(298,15 K) = ΔffHH (p (poo = 100 = 100 kPa)kPa)pro sloučeniny
Strukturní modifikace uhlíku
m m mH U pV
Molární entalpieMolární entalpie
Strukturní modifikace uhlíku
FullerenyFullereny
Duté struktury tvořené atomy uhlíku vázanýmiv pěti- resp. šestiatomových cyklech
- Sférické (buckyball) - konvexní polyedry se stěnami ve tvaru pravidelných pěti- resp. šestiúhelníků: Buckminsterfulleren C60 (Buckminster Fuller), komolý ikosaedr, jehož povrch je tvořen 20 šesti- a 12 pětiúhelníky, vyšší fullereny C70, …, Cxxx.
- Cylindrické (buckytube), též uhlíkové nanotrubky (single-walled, multi-walled)
- Fullerity (krystalová forma fullerenů)- Fulleridy (fullereny dotované atomy jiných prvků)
Molární entalpieMolární entalpie
Spalovací kalorimetrie
2 2 comb(s) O (g) CO (g),nC n n U
comb comb
comb g
H U p V
U n RT
m m 2 m 2 combC ,s CO ,g O ,gnH nH nH H
Fáze Hm(298.15 K) (kJ mol-1)
Grafit 0
C60 2285,4
C70 2547,9
Setaram C80 +Setaram C80 +
Molární entalpieMolární entalpie
Stabilita forem uhlíku
FázeHm(298.15 K)
(kJ at-1)
Grafit 0
Diamant 2,5
C60 38,1
C70 36,4
ZávěrZávěr
1. Kalorimetrie je velice účinný a 1. Kalorimetrie je velice účinný a
užitečný nástroj při studiu užitečný nástroj při studiu
nanočástic.nanočástic.
2. Vztahy pro nanočástice platí 2. Vztahy pro nanočástice platí
„„přiměřeněpřiměřeně““ i pro jiné i pro jiné
nanostrukturované materiály nanostrukturované materiály
(vlákna, vrstvy, kompozity).(vlákna, vrstvy, kompozity).
3. Další informace3. Další informace:: http://www.vscht.cz/ipl/nanomaterialy/uvod.htm
NANONANO
top related