Karbon nanostruktúrák Anyagmérnök alapképzés Nanotechnológiai szakirány kötelező tárgy Tantárgyi kommunikációs dosszié (TKD) Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Intézet Miskolc, 2014.
1. Tantárgyleírás Karbon nanostruktúrák kommunikációs dosszié A tantárgy címe: A tantárgy adatai: Félév: Karbon nanostruktúrák Anyagmérnök BSc 6. MAKKEM221B A tantárgy típusa: Óraszám / hét: Kreditek száma: Előadás 2 2 Tantárgyfelelős és előadó: dr. Lakatos János, egyetemi docens Egyetem / Kar / Intézet / Tanszék: Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar, Kémia Tanszék A tantárgy státusza: Az anyagmérnöki alapképzésben (BSc) résztvevő hallgatók által választható Nanotechnológia Szakirány kötelező tantárgya A tantárgy célja: Megismertetni a hallgatókat a szén módosulataival, a műszaki célokra használt különböző karbon formákkal a koksztól a kormon át a legújabb karbon anyagokig: a nanocsövekig ill. grafénig. Az előadások során a hallgatók megismerik az egyes karbon formák szerkezetét tulajdonságait és előállításuk módszereit. A tantárgy leírása: A szén elektronszerkezete és kötésformái. A grafit, a gyémánt és a fullerén szerkezetek előállítása. A szénszál, a szén nanocső, a karbon filmek. A karbon nanocsövek típusai. Egy és többfalú nanocsövek, funkcionalizált nanocsövek előállítása és fizikai-kémiai tulajdonságai. A szén nanoszerkezetek vizsgálatára alkalmas módszerek. 2
Karbon nanostruktúrák kommunikációs dosszié 2. Tantárgytematika Hét Témakör 1. Bevezetés: Nanoszerkezetek, a karbon nanoanyagok 2. A szén elektronszerkezete, kötésformái, a kötés és a térszerkezet kapcsolata 3. A grafit, a gyémánt, a fullerén szerkezete, analóg szerkezetek 4. Garfit típusú szerkezetek, korom, szénszál, 5. Karbon filmek, nanocső, tulajdonságaik 6. Egy és több falú nanocső előállítása tulajdonságai 7. Karbon aerogelek 8. Fullerének és rokon szerkezetek 9. A karbonizáció mechanizmusa 10. A szerkezet felépítése atomos állapotból 11. A templatek alkalmazhatósága karbon szerkezetek előállítására 12. Karbon felületek szerkezete, vizsgálata 13. Karbon felületek módosítása 14. Nano karbon anyagok pórusszerkezet és vizsgálata, katalitikus és szorpciós sajátosságai 3. A tantárgy lezárásának módja: Az aláírás megszerzésének feltétele az előadások 60 %-nak látogatása. A vizsgázó egy tételt húz. A tétel elégséges ismerete szükséges a sikeres vizsga megszerzéséhez. A tételek azonosak a heti bontásban megadott témakörökkel. 4. Ajánlott irodalom: 1. H. Marsh Ed.: Introduction to the carbon science, Butterworts, London (1989). 2. P.J.F. Harris: Carbon nanotubes and related structures, New materials for the 21st century. Cambridge Univ. Press. (2001). 3. M. Inagaki: New Carbons_ Control of Structure and Function, Elsevier (2000) ISBN: 978-0-08-043713-2. 4. L. Day: Carbon Nanotechnology: Recent developments in Chemistry, Physics, Material Science and Device application, Elsevier (2006) ISBN: 978-0-444-51855-2 5. P. A Thrower.: Chemistry and physics of Carbon. (A series of advances) Marcel Decker, New York. Vol. 1.-25. 6. P.J. J. Tromp : Coal pyrolysis. Basic Phenomena Relevant to Conversion processes Academic Proefscrift, Zwanenburg the Netherlands, (1987). 7. F. Rodruquez-Reinoso: The role of carbon materials in heterogeneous catalysis. Carbon 36,159-175 (1998). 4. Minimumkérdések Az aláírás feltétele a minimumkérdések 50 %-os a vizsgázás feltétele 70% -os helyes megválaszolása. 3
1. Hol található a szén a periódusos rendszerben, és mennyi a külső héjon lévő elektronjainak a száma? 2. Melyik a szén három legfontosabb izotópja és mi a gyakorlati jelentősége? 3. Milyen vegyületek formájában fordul elő a szén a természetben? Írjon mindkét típusra egy-egy példát. 4. Milyen elemekből épülnek fel a szerves vegyületek? (Adja meg a négy legfontosabbat) Mennyi az ismert szerves vegyületek száma? 5. Hogyan állíthatunk elő szenet szerves vegyületekből? 6. Hogyan állít elő a természet szerves szénvegyületet CO2-ből? 7. Hogyan állíthatunk elő szenet CO 2 -ből kémiai reakcióval. 8. Mi a legfontosabb összetételbeli különbség az ásványi szén és a grafit között? 9. Milyen célra használják fel az ásványi szeneket legnagyobb mennyiségben? 10. Hol használják a szenet, mint redukálószert? Írjon fel egy ilyen reakcióegyenletet. 11. Adja meg a szén három módosulatát? Melyik módosulat a legstabilabb? 12. Miért beszélhetünk tágabb értelemben háromnál több szén módosulatról? 13. Milyen típusú kémiai kötéseket alakíthat ki a szén? 14. Mi a szigma kötés jellegzetessége? 15. Mi a pi kötés jellegzetessége? 16. Mit jelent a delokalizáció? 17. Melyik a kémiailag legstabilabb szénmódosulat? 18. Melyik a termodinamikailag legstabilabb szén módosulat? 19. Milyen térszerkezet tartozik a C sp 3 hibridállapotához és melyik szén módosulatban van ilyen? 20. Milyen térszerkezet tartozik a C sp 2 hibridállapotához és melyik szén módosulatban van ilyen? 21. Milyen térszerkezet tartozik az sp hibridizációhoz? 22. Hasonlíts össze a gyémánt és a metán térszerkezetét. 23. Hasonlítsa össze a benzol és a grafit térszerkezetét. 24. Mi bizonyítja azt, hogy a kötések nem lokalizáltak a benzolban? 25. Miért vezet és fekete a grafit? 26. Milyen térelemekből épül fel a fullerén? 27. Milyen két elven alakíthat ki karbon szerkezeteket. 28. Mi a koksz és karbonizátum? 29. Mit jelent a grafitizálás? 30. Melyik karbon forma grafitizálható. 4
31. Milyen elven állíthat elő gyémántot. 32. Mit jelent a CVD? 33. Milyen prekurzorból keletkezhet gyémánt? 34. Milyen anyagokból állíthat elő grafitot? 35. Milyen anyagokból állíthat elő fullerént és nanocsövet? 36. Miért hidrogén atmoszférában lehet gyémánt vékonyréteget csinálni? 37. Mire használhatják a kokszot? 38. Mi a pirografit? 39. Mi a karbon aerogél? 40. Mi az aktív szén? 41. Milyen anyagból kokszból vagy karbonizátumból lehet jó aktív szenet készíteni? 42. Mennyi egy jó aktív szén fajlagos felülete? 43. Mire jó a bitumen? 44. Mi a PAH? 45. Mi a különbség a karbon szál és a nanocső között? 46. Miből gyártanak karbon szálat? 47. Mi a PAN? 48. Hogyan állítanak elő nanocsövet? 49. Milyen típusú nanocsöveket ismer? 50. Vezetés izomerjei léteznek az egyfalú nanocsőnek? 51. Milyen elektromos tulajdonságai vannak az egyfalú nanocsöveknek? 5. Vizsgatételsor Vizsgatételek Karbonnanostrukturák tárgyból A vizsgatételek megegyeznek a tantárgytematika pontjaival. Miskolc, 2014. január 15. Dr. Lakatos János egyetemi docens, előadó Dr. Gácsi Zoltán egyetemi tanár, dékán 5