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Impatto dei parametri strutturali e chimici sulle proprietà capacitive di nanotubi di carbonio

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dal tener conto della loro struttura elettronica intrinseca [23, 24]; specie con i CNT la quantum- capacitance è rilevante nel determinare la capacità di doppio strato totale a causa della loro densità degli stati finita al livello di Fermi Numerosi risultati sperimentali [27, 28] sembrano comunque confermare le predizioni teoriche e ad esempio l’introduzione di difetti (per irraggiamento con ioni, elettroni, raggi gamma) in modo controllato su CNT [27, 28] o di eteroatomi sostituzionali [29] (che vanno ad accrescere la densità degli stati al livello di Fermi [29], D(E F ), l’ammontare di disordine degli sheets/shells grafenici [29] e la densità dei siti edge-plane [29]) o metalli di transi- zione 3d legati a mono-vacanze o di-vacanze degli sheets/shells grafenici [30] possono comportare incrementi della capacità di doppio strato del 200% [27] ed è accompagnata da incrementi della conduttività elettrica in opportune condizioni [28], è importante inoltre sottolineare che alcune tipologie di difetti sono efficaci nell’accrescere la quantum-capacitance a potenziali più positivi del punto di neutralità (PZC) altre invece a potenziali più negativi, cosicchè un controllo della tipologia di difetti introdotti sull’elettrodo positivo e sull’elettrodo negativo potrà accrescere in modo significativo le performance dei corrispondenti supercapacitori asimmetrici [23]; l’accresci- mento della quantum-capacitance riduce il suo potere “limitante” della capacità totale interfacciale (C T = [1=C H + 1=C q ] 1 ). I nanotubi di carbonio (CNT) sono allotropi del carbonio che possono essere considerati pressochè unidimensionali in virtù del loro elevato rapporto d’aspetto [31]. I CNT a parete singola o SWCNT, single-walled carbon nanotubes, sono sheets grafenici 2D arro- tolati a formare un cilindro, i CNT a parete multipla o MWCNT, multi-walled carbon nanotubes, possono essere considerati una collezione di SWCNT concentrici [31]; è preferibile utilizzare il ter- mine nanotubi solo per strutture in cui le pareti grafeniche siano parallele all’asse longitudinale e riservare il termine fibre per quelle strutture in cui gli strati grafenici siano disposti ad altri angoli rispetto all’asse longitudinale [32], ed oggi si tende a suggerire di sostituire termini come “herring- bone nanotube”, “bamboo-herringbone nanotube”, “bamboo-concentric nanotube” con “hollow-core stacked nanocones”, “partitioned stacked nanocones” e “partitioned nanotube” rispettivamente [33] (una nomenclatura esatta e dettagliata di tutte le nanoforme di carbonio sp 2 è contenuta nel ri- ferimento [33]). A causa delle forti interazioni di van der Waals tra i singoli tubi la più tipica morfologia per essi è quella di bundles (in cui non c’è ordine intertubo a lungo raggio [31]) o ropes (in cui è ravvisabile un reticolo 2-D trigonale a lungo raggio e pertanto caratterizzabili at- traverso diffrazione a raggi X [31]) di centinaia o migliaia di singoli tubi [31]. Lo sheet grafenico 2D può essere arrotolato in più di un modo [34, 35, 36], un tale modo può essere specificato da un vettore chirale che connette due punti cristallograficamente equivalenti dell’originario reticolo grafenico e da un angolo chirale ; il cilindro cavo corrispondente al CNT viene prodotto arroto- lando lo sheet grafenico 2D in modo tale che i due punti estremi del vettore vengano sovrapposti, in sostanza la circonferenza del CNT viene espressa in termini del vettore chirale definito dalla relazione: C h = na 1 + ma 2 , dove n e m sono una coppia di interi, con n m, e a 1 e a 2 sono i vettori della cella unitaria del reticolo grafenico [35], il vettore chirale è perpendicolare all’asse del tubo [35]; la lunghezza del vettore chirale C h è la circonferenza del CNT ed è data dalla: |C h | = a p (n 2 +nm +m 2 ) dove a è la lunghezza dei vettori della cella unitaria del grafene, ovvero la costante reticolare del grafene, a = |a 1 | = |a 2 | = a CC p 3 dove a CC è la distanza fra due atomi di C prossimi vicini (per la grafite la lunghezza del legame CC è pari a circa 0.1421 nm, lo stesso valore è spesso utilizzato per i CNT, ma a causa della curvatura del tubo a CC per i CNT è leggermente più grande e un valore pari a 0.144 nm dovrebbe essere una migliore approssimazione [35]), pertanto il diametro dei CNT è dato dalla: d = |C h |/ = a p (n 2 +nm +m 2 )= ; l’angolo chirale è l’angolo compreso tra il vettore chirale e il cosiddetto asse zig-zag cioè quel vettore chirale che rende i nanotubi del tipo “zig-zag” ed è dato dalla: = tan 1 ( p 3m)= (m + 2n) . I tubi con m = n ( = 30°) vengono riferiti comunemente come tubi armchair [35], i tubi con m = 0 ( = 0) vengono riferiti come tubi zigzag [35], in tutti gli altri casi, cioè per n6= m6= 0 e 0° < < 30°, i tubi sono chiamati chirali [35]. I valori di n e m determinano la chiralità dei CNT 12
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Impatto dei parametri strutturali e chimici sulle proprietà capacitive di nanotubi di carbonio

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Informazioni tesi

  Autore: Giovanni Zuccari
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2013-14
  Università: Università degli Studi di Roma La Sapienza
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Chimica
  Relatore: Maria Letizia Terranova
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 532

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Parole chiave

nanotubi di carbonio
supercapacitori

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