Carbon nanofibers as catalyst support : Developing an H2-based recipe for plasma enhanced chemical vapor deposition.
(2024) KASM10 20241Centre for Analysis and Synthesis
- Abstract
- This study investigated growth of carbon nanofibers (CNF) using hydrogen (H2) gas on a porous titanium substrate. The target is uniform coverage of vertically aligned CNFs on the substrate, with length of a few micrometers, to produce a surface area enhancement – the intended application of this structure is as a catalyst support. CNFs were synthesized in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor using acetylene (C2H2) and H2. The impact of the gas ratio and temperature was studied for two catalysts, Ni and Fe. Initially, vertically aligned CNF growth using the Fe catalyst was observed with high density of CNFs (1.6·1010 fibers/cm2), average length of around 146 nm and uniform coverage over the substrate after a 15 minute... (More)
- This study investigated growth of carbon nanofibers (CNF) using hydrogen (H2) gas on a porous titanium substrate. The target is uniform coverage of vertically aligned CNFs on the substrate, with length of a few micrometers, to produce a surface area enhancement – the intended application of this structure is as a catalyst support. CNFs were synthesized in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor using acetylene (C2H2) and H2. The impact of the gas ratio and temperature was studied for two catalysts, Ni and Fe. Initially, vertically aligned CNF growth using the Fe catalyst was observed with high density of CNFs (1.6·1010 fibers/cm2), average length of around 146 nm and uniform coverage over the substrate after a 15 minute growth process. However, later the reproducibility came into question with the
observation of a different growth regime, distinguished by the presence of film growth on the samples and significantly lower density. A few observations possibly related to the governing dynamics behind these two growth regimes are discussed. The CNF morphology was elucidated, and it was found that the fibers grown appear to have a core-shell Fe/carbon nanotube (CNT) morphology with an elongated catalyst particle core. The Ni-catalyzed growth was unsuccessful while Fe-catalyzed growth shows promise, with some remaining issues regarding reproducibility and growth rate. This study has provided a basis to
suggest a few reasonable routes towards improving these issues. These include studying the plasma parameters and the catalyst particle adhesion to the substrate. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Det här projektet har handlat om att utveckla ett sett att använda vätgas i ”receptet” för att tillverka kolnanofibrer. Dessa kan sedan användas för att effektivisera framställningen av grön vätgas. Grön vätgas är centralt när det kommer till hållbar omställning inom flera olika industrier. De stora satsningarna på grönt stål i Sverige är till exempel beroende av grön vätgas, likaså behövs den gröna vätgasen inom områden som bränsle för långväga transporter, hållbart konstgödsel med flera.
En lovande metod för att tillverka grön vätgas är protonutbytesmembran-elektrolys, denna metod står inför en stor utmaning då den sällsynta metallen iridium är central i tekniken. Den är så pass sällsynt att utan mer effektiv användning kommer dagens... (More) - Det här projektet har handlat om att utveckla ett sett att använda vätgas i ”receptet” för att tillverka kolnanofibrer. Dessa kan sedan användas för att effektivisera framställningen av grön vätgas. Grön vätgas är centralt när det kommer till hållbar omställning inom flera olika industrier. De stora satsningarna på grönt stål i Sverige är till exempel beroende av grön vätgas, likaså behövs den gröna vätgasen inom områden som bränsle för långväga transporter, hållbart konstgödsel med flera.
En lovande metod för att tillverka grön vätgas är protonutbytesmembran-elektrolys, denna metod står inför en stor utmaning då den sällsynta metallen iridium är central i tekniken. Den är så pass sällsynt att utan mer effektiv användning kommer dagens fyndigheter inte att räcka till. Här kan kolnanofibrerna komma till nytta. Samma mängd vätgas kan produceras med en mindre mängd iridium genom att placera metallen på en nanostruktur som ökar kontakten med nästa lager i elektrolysören.
Vad är en kolnanofiber då? Tanken går lätt till kolfibrer som används i många lättviktsmaterial, till exempel sport-cyklar. Skillnaden är att kolnanofibrer är betydligt mindre och består av en mer ordnad struktur. Kolatomerna som bygger upp fibrerna binder alla till tre grannar och bildar lager av kol - ett sådant isolerat lager är vad som kallas grafen, ett material som fått mycket uppmärksamhet för sina unika egenskaper. I en kolnanofiber är flera lager i stället ordnade som, till exempel, många i varandra staplade koner eller flera ihoprullade lager. Dessa fibrer är ofta några tiotals nanometer i diameter och några mikrometer långa. Som jämförelse är de ca 50 000 gånger smalare än ett hårstrå.
För att få kolnanofibrer att växa används ofta en process med två gaser, en kolbärande gas och en gas vars syfte är att hindra konkurrerande processer genom att etsa bort mindre välordnade kolstrukturer - denna roll fyller typiskt ammoniak och mitt projekt har handlat om att visa att användning av vätgas kan vara ett alternativ. Detta är intressant då nya sätt att kontrollera processen, till exempel hur tätt fibrerna växer, kan upptäckas och vara användbara för applikationen i elektrolys. Vätgas kan också vara trevligare att arbeta med än ammoniak.
I projektet har jag visat att det här bytet är möjligt, med ett tydligt återstående problem: längden på fibrerna. Bilder från elektronmikroskop har visat hur en fiber ser ut i detalj vilket ger ökad förståelse för processen. Receptet innehåller en lång lista på ingredienser och resultaten har gett uppslag kring vilka av dem som behöver balanseras ytterligare för att få växthastigheten att skjuta i höjden. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9161661
- author
- Schack, John LU
- supervisor
- organization
- course
- KASM10 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Plasma enhanced chemical vapor deposition, chemical vapor deposition, carbon nanofibers, carbon nanotubes, green hydrogen, proton exchange membrane water electrolysis, catalytic growth, materials chemistry
- language
- English
- id
- 9161661
- date added to LUP
- 2024-06-12 16:42:07
- date last changed
- 2024-06-12 16:42:07
@misc{9161661,
abstract = {{This study investigated growth of carbon nanofibers (CNF) using hydrogen (H2) gas on a porous titanium substrate. The target is uniform coverage of vertically aligned CNFs on the substrate, with length of a few micrometers, to produce a surface area enhancement – the intended application of this structure is as a catalyst support. CNFs were synthesized in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor using acetylene (C2H2) and H2. The impact of the gas ratio and temperature was studied for two catalysts, Ni and Fe. Initially, vertically aligned CNF growth using the Fe catalyst was observed with high density of CNFs (1.6·1010 fibers/cm2), average length of around 146 nm and uniform coverage over the substrate after a 15 minute growth process. However, later the reproducibility came into question with the
observation of a different growth regime, distinguished by the presence of film growth on the samples and significantly lower density. A few observations possibly related to the governing dynamics behind these two growth regimes are discussed. The CNF morphology was elucidated, and it was found that the fibers grown appear to have a core-shell Fe/carbon nanotube (CNT) morphology with an elongated catalyst particle core. The Ni-catalyzed growth was unsuccessful while Fe-catalyzed growth shows promise, with some remaining issues regarding reproducibility and growth rate. This study has provided a basis to
suggest a few reasonable routes towards improving these issues. These include studying the plasma parameters and the catalyst particle adhesion to the substrate.}},
author = {{Schack, John}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Carbon nanofibers as catalyst support : Developing an H2-based recipe for plasma enhanced chemical vapor deposition.}},
year = {{2024}},
}