Образование углеродных наноструктурных материалов в виде протяженных тубулированных структур (нанотрубок и нановолокон) при реализации дугового синтеза, при лазерном испарении графита и газофазном химическом осаждении происходит на катализаторах, содержащих переходные металлы или их соединения. Синтез в пламени также требует наличия нано- или микрочастиц катализаторных прекурсоров.
Несмотря на большое количество научных исследований, посвященных образованию наноматериалов при горении углеводородов, до сих пор не существует единой точки зрения на механизм образования структурного углерода в виде нанотрубок и нановолокон при наличии катализаторных прекурсоров в обогащенной топливной смеси или на подложке-саженакопителе.
Синтез в пламени привлекателен вследствие непосредственного наличия источника тепла, потенциальной возможности масштабирования, легкости регулирования и контроля, простоты аппаратурного оформления, безопасности технологического процесса.
На кафедре «Техника и технологии производства нанопродуктов» ГОУ ВПО ТГТУ нами была разработана технологическая схема (рис. 1) и спроектирована установка для синтеза углеродных наноструктур в диффузионном пламени.
Рисунок 1 – Технологическая схема синтеза углеродных нанопродуктов в диффузионном пламени
В схеме получения наноуглерода из баллона БГ поступает углеводород, расход которого регулируется вентилем ВР3 и расходомером Р3. Необходимая концентрация углеводорода устанавливается путем смешения его в газовом смесителе С с инертным газом из баллона БИ, расход которого регулируется вентилем ВР4 и расходомером Р4. Смесь газов поступает в катализаторную емкость Е, которая заполнена одним из четырех возможных катализаторных прекурсоров (порошкообразный катализатор, жидкий прекурсор, коллоидный раствор, возгоняемые металлорганические соединения). Катализаторная емкость Е имеет возможность нагрева с помощью нагревателя Н для получения катализаторного прекурсора в паровой или газовой фазе. Смесь углеводорода, инертного газа и катализатора поступает по топливной линии в диффузионную горелку ГД, а по линии сжатого воздуха вентилятором В подается воздух на горение, расход которого регулируется вентилем ВР2 и расходомером Р2. Также имеется возможность вместо воздуха подавать на горение кислород из баллона БК с регулировкой расхода с помощью вентиля ВР1 и расходомера Р1. В диффузионной горелке ГД происходит химическое реагирование компонентов топлива в присутствии катализаторных частиц и накопление наноуглерода на специальной подложке-саженакопителе. Газообразные продукты горения удаляются в атмосферу.
На базе этой установки был проведён ряд экспериментов получения углеродных наноструктур с использованием различных катализаторов. Некоторые результаты занесены в таблицу 1.
Таблица 1
Некоторые результаты экспериментов по синтезу УНМ в диффузионной горелке (горючее – пропан-бутан, окислитель – воздух)
-
Катализатор
Масса
катализатора, доставленного в реакционную зону
mкат., г
Расход
горючего,
л/час
Расход
воздуха,
л/час;
коэфф.
избытка окислителя
(&#;)
Время
синтеза,
мин
Масса
углеродного
депозита
mп, г
Удельный
выход
,гС/гкат.
-
-
10,8
240
0,823
15
0,535
-
пары
ферроцена
0,820
10,8
240
0,823
15
3,603
3,39
пары
ферроцена
0,925
12,15
250
0,763
15
4,658
4,03
раствор азотнокислых солей Ni и Mg c глицином на сетке
-
12,15
267
0,814
10
0,681
-
модифицированный NiO/MgO на подложке-саженакопителе
4,002
10,8
240
0,823
15
7,480
0,87
модифицированный NiO/MgO на подложке-саженакопителе
4,114
12,15
250
0,763
15
8,629
1,1
Также, согласно публикациям последних лет, перспективным реагентом для синтеза углеродных нановолокон и нанотрубок является этиловый спирт. Среди преимуществ каталитического газофазного процесса с применением паров спирта отмечается высокая селективность и относительно низкая температура синтеза, возможность получения чистых (не содержащих примеси других форм углерода) одностенных и двустенных нанотрубок. Синтез возможен в пламени обычной спиртовой горелки.
Планируется проведение экспериментов на базе разработанной Нами диффузионной горелки с использованием в качестве источника углерода паров этилового спирта смешанных с мелкими частицами катализатора.
Ожидается, что этот метод получения углеродного наноматериала будет гораздо эффективнее ранее рассмотренных нами способов синтеза.
В самое ближайшее время будет доработана технологическая схема этого метода, а так же модернизирована диффузионная горелка.
Литература:
- Редькин А.Н., Седловец Д.М., Корепанов В.И., "Осаждение ультратонких пленок углерода из паров //Редькин А.Н., Кипин В.А., "Газофазный синтез углеродного нановолокнистого материала из водно-спиртовых смесей", Неорг. материалы, V45, N9, c.1057, 2009г.
Ткачев, А.Г. Разработка технологии и оборудования для промышленного производства наноструктурных углеродных материалов: дис. ... доктора. техн. наук: 05.17.08, 05.02.13 / А.Г. Ткачев; Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2008. – 374 с.
