Очистка углеродного наноматериала «Таунит» при помощи вакуумных электропечей

В настоящее время углеродный наноматериал «Таунит» изготавливают в промышленных масштабах. Основным методом его получения является каталитический пиролиз. Суть его состоит в том, что нановолокна образуются при разложении углеводородов под действием высоких температур (600-900 °С) в присутствии катализаторов. В результате реакции образуется смесь наноматериала с порошкообразными носителями катализатором [1,с.2]. Особенностью пиролитических методов является окклюзия частиц катализатора в закрытых полостях углеродных нанопродуктов. Для очистки углеродных нанопродуктов от металлов-катализаторов и носителей смесь обрабатывают концентрированными кислотами, промывают дистиллированной водой и сушат. Окклюдированные частицы металлов не растворяются в кислотах и загрязняют нанотрубки и нановолокна.

Неочищенный «Таунит» содержит поверхностный водород, аморфный углерод, графитизированные частицы и частицы оксида магния с металлами (до 60 масс. %), а отмытые в кислоте углеродные нанотрубки (УНТ) – поверхностный водород, аморфный углерод, окклюдированный катализатор и графитизированные частицы в сумме до 10%.

Таким образом, очистка кислотами с последующей промывкой водой и сушкой не позволяет полностью удалить зольные примеси. К тому же образуется большое количество экологически вредных отходов.

Для электродов химических источников, портативных компьютеров, для атомной техники, приборостроения требуются УНТ и УНВ с чистотой не менее 99,9%.

Широко известно, что при воздействии на углерод высокими температурами содержавшиеся в нем примеси испаряются. Но, в свою очередь, это может вызвать процесс графитации - изменение структуры углеродного материала [2,с.68]. Оксиды катализатора при их нагреве в присутствии высокодисперсного наноматериала могут восстанавливаться до металлов, образовывать карбиды и удаляться в виде окиси или двуокиси углерода. Данный эффект достигается понижением давления, а как следствие скорости реакции. Температура взаимодействия углерода с основными веществами, используемыми в качестве катализаторов варьируется от 400 °С (начало взаимодействия) до 1300 °С (легкоплавкая эвтектика) у Ni; и около 1650 °С у MgO. В целом известно, что при 1000 – 2300 °С в вакууме скорость испарения большинства элементов, применяемых для получения не только УНМ «Таунит», но и для многих других наноматериалов получаемых методом пиролиза и остающихся в качестве примесей значительно выше чем у углерода. Данный факт говорит о том, что применение для очистки углеродных наноматериалов в вакууме, а именно в вакуумных печах, перспективный, но главное легко реализуемый на практике метод.

Таблица1

Содержание примесей в сходных и очищенных наноматериалах в зависимости от температуры при выдержке 1 час.

Вывод: метод очистки углеродного наноматериала «Таунит» при помощи вакуумной электропечи является эффективным, экологичным, экономически выгодным.

Литература:

1. Ткачев А.Г., Шубин И.Н., Попов А.И. Промышленные технологи и инновации. Оборудование для наноиндустрии и технология его изготовления.// Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010.
2. Островский В.С., Виргильев Ю.С., Костиков В.И., Сысков К.И. Искусственный графит.// М.: Металлургия, 1986.