Synthesis, characterization and physical properties of nitrogen doped 3D carbon nanostructures grown over subtrates by the chemical vapor deposition technique

Abstract

"El crecimiento de una variedad de nanoestructuras de carbono es aún considerado un tema relevante, en especial aquellos tópicos relacionados con el crecimiento de estructuras 3D de carbono en la que se emplean unidades constructoras. Este proyecto de tesis doctoral se enfoca en las técnicas de síntesis, así como en los catalizadores y precursores necesarios para el crecimiento de estructuras 3D de carbono, que están altamente asociadas a una variedad de aplicaciones en campos como electrónica, energía, química, remediación ambiental, medicina y otros. A lo largo de la tesis, describimos el estado del arte asociado a las técnicas de crecimiento, características de los catalizadores, parámetros y precursores necesarios para el crecimiento de nanotubos de carbono, grafeno, y otro tipo de estructuras como estructuras helicoidales, nanocinturones y nanofibras de carbono estructuralmente defectuosas. Además, se explora la influencia de catalizadores bimetálicos en el crecimiento de nanoestructuras de carbono por la técnica de deposición química de vapor. Se investigan los parámetros de crecimiento de láminas delgadas de un catalizador bimetálico a base de Co y Cu por la técnica de devanado catódico o sputtering. Esta lámina delgada es probada como catalizador bajo condiciones variantes de temperatura y empleando una mezcla de precursores anteriormente empleada en el grupo para la síntesis de estructuras 3D como esponjas de carbono nanoestructuradas y dopadas con nitrógeno. De forma interesante se observa la formación de nanofibras corrugadas y entrelazadas. Asimismo, se estudia el crecimiento de nanocinturones de carbono crecidos sobre la lámina delgada de Co-Cu. Se exploran las características físicas y químicas con el fin de determinar el mecanismo de crecimiento y la influencia de las nanopartículas de Co y Cu en el crecimiento de estas nanoestrucutras 3D de carbono. Pruebas con Ag y Au también son realizadas. En el desarrollo de esta tesis se encuentra aspectos interesantes sobre el rol del Cu ene el crecimiento de este tipo de nanoestructuras. Este trabajo de tesis incluye una serie de experimentos exploratorios empleando láminas delgadas de Cu, con el fin de determinar la influencia y efecto de las nanopartículas de Cu en el crecimiento de los cinturones de carbono. Se encontró que dependiendo de la forma y tamaño de las nanopartículas de Cu se favorece el crecimiento de nanotubos de carbono altamente defectuosos y nanoestructuras helicoidales de carbono. Se discute el mecanismo de crecimiento de estas nanoestructuras. Finalmente, se describe el crecimiento de nanoestructuras 3D de carbono llamadas “esponjas de carbono” en las que se emplea Fe como catalizador y un tubo de cuarzo como un substrato empleando una variedad de precursores en un sistema de descomposición química de vapor. Las esponjas nanoestructuradas de carbono fueren caracterizadas fisicoquímicamente con el fin de determinar alguna aplicación potencial."

"The growth of a variety of carbon nanostructures is still a hot topic, especially those that involve the growth of structures as building blocks to create 3D carbon materials. This doctoral dissertation project focused on techniques, catalysts, and precursors needed to grow these types of 3D carbon structures that are highly associated with a variety of applications in electronics, energy, chemistry, environmental remediation, medicine, and others. We described the state of the art associated with the growth techniques, catalyst characteristics, parameters, and precursors needed for the growth of carbon nanotubes, graphene, and other types of carbon nanostructures like helical structures, nanobelts, and highly defective carbon nanofibers. Also, it is explored the influence of bimetallic catalysts in the growth of carbon nanostructures by a chemical vapor deposition technique. The growth parameters of Co-Cu bimetallic thin films by a sputtering technique is investigated. Following the mixture of precursors used in our group for the growth of nitrogen-doped 3D carbon nanotube sponges, these were tested in a chemical vapor deposition system using the Co-Cu bimetallic thin film as a catalyst with a direct variation of temperature. Interesting interlaced and wrinkled carbon nanofibers were found. Besides, the growth of carbon nanobelts over Co-Cu thin films by the CVD technique was studied. This 3D carbon nanostructure is explored in their physical and chemical characteristics to determine a growth mechanism and the influence of Co and Cu nanoparticles. Tests with Ag and Au are also described. An exciting aspect is that Cu plays a crucial role in the growth of these types of structures. This work includes an exploration of a series of experiments using Cu thin films to grow carbon nanostructures to determine the influence and effect of Cu NPS during the growth of the carbon nanobelts. It was found that Cu NPS can nucleate a highly defective CNT and helical carbon nanostructures depending on size and shape. The growth mechanism is discussed. Finally, it is described the growth of 3D carbon nanostructures named “carbon nanotube sponges” using Fe as a catalyst and the quartz tube as a substrate with different precursors in a CVD system. The carbon nanotube sponges where physico-chemical characterized to determine potential applications."