УДК 672.86

СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЛАМЕНИ

Зеленев Илья Николаевич1, Баранов Андрей Алексеевич2
1Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
2Тамбовский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»

Аннотация
Представлены сведения о синтезе углеродных наноструктурных материалов в пламени. Показаны перспективы использования процессов горения для получения углеродных нанопродуктов и их преимущества перед традиционными схемами синтеза. Приведены результаты экспериментов по синтезу углеродных наноструктур в пламени.

Ключевые слова: катализатор, нановолокна, нанотрубки, синтез в пламени, углеродные наноструктурные материалы


FLAME SYNTHESIS OF CARBON NANOSTRUCTURED MATERIALS

Zelenev Ilya Nikolaevich1, Baranov Andrey Alekseevich2
1Tambov State Technical University, master student of the Technics and technology of production nanomaterials department
2Tambov State Technical University, Ph.D, Associate Professor of the Technics and technology of production nanomaterials department

Abstract
Provided are data on the synthesis of carbon nanostructured materials in the flame. Shows the prospects use of combustion processes for the production of carbon nanoproducts and their advantages over traditional schemes of synthesis. Presented the results of experiments on the synthesis of carbon nanostructures in flames.

Keywords: carbon nanostructured materials, catalyst, flame synthesis, nanofibers, nanotubes


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Зеленев И.Н., Баранов А.А. Синтез углеродных наноструктурных материалов в пламени // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/06/24820 (дата обращения: 29.09.2017).

Альтернативным способом синтеза углеродных наноструктурных материалов (УНМ) является реализация неполного сгорания углеродсодержащего сырья в присутствии катализаторных систем. Данный метод вследствие простоты реализации, технологичности, энергоэффективности, безопасности имеет несомненные преимущества по сравнению с методами газофазного химического осаждения, дугового синтеза и лазерной абляции.

Также как при реализации традиционных методов синтеза при сжигании богатых топливных смесей требуется источник углерода, катализатор и тепло, причем подвод тепла в данном случае обеспечивается непосредственно реакцией горения.

Синтез наноструктурного углерода в пламени может быть реализован тремя способами: в диффузионном пламени, с использованием предварительно подготовленной топливной смеси, в режиме пиролизного пламени. Наиболее доступным с точки зрения технической реализации является синтез УНМ в диффузионном пламени.

В обычном диффузионном пламени горючее направляется в центральный канал, а окислитель подается по периферии или поступает из окружающей среды. В инверсионном пламени реализуется подача окислителя по центральному каналу, а горючего по периферии, а в противоточном – компоненты топливной смеси направлены навстречу друг к другу. Все три способа организации диффузионного горения в присутствии катализаторов позволяют получать углеродный депозит с высоким содержанием наноструктурного углерода в виде однослойных и (или) многослойных нанотрубок, а также нановолокон. В ряде случаев удается получать нанопродукты с морфологией и свойствами, не уступающими наноматериалам, производимым по традиционным технологиям.

Кроме нанотрубок и нановолокон, в ряде работ [1, 2] показана возможность синтеза при горении двумерных наноструктур в виде графена или полиграфена.

В рамках исследований по проблемам нанотехнологий в Тамбовском государственном техническом университете совместно с ООО «Нанотехцентр» (г. Тамбов) разработана технология и оборудование для синтеза УНМ в диффузионном пламени [3, 4].

Исследовались три способа подачи катализаторного прекурсора в диффузионное пламя. Первый предполагал засыпку металлорганических соединений (ферроцен) в катализаторную емкость с последующей возгонкой. Далее на горение через систему регулируемых ротаметров подавались компоненты топливной смеси – воздух и пропан-бутан через катализаторную емкость. При таком способе синтеза в течение 10 минут на подложке-саженакопителе образовывался равномерный слой углеродного депозита с толщиной ~ 0,4 мм.

Второй способ доставки катализаторного прекурсора в реакционную зону предполагал нанесение вязкого водного раствора азотнокислых солей Ni и Mg c глицином на зонды в виде сетки. В этом случае катализаторная емкость не содержала прекурсоров. Сетки устанавливались на стеклянный кожух диффузионной горелки. В процессе воздействия пламени, за очень короткий промежуток времени, на сетке сначала образовывались твердые частицы катализатора NiO/MgO, на которых, впоследствии, откладывался углеродный депозит (рис. 1).


Рисунок 1 – Образование катализатора NiO/MgO и углеродный депозит на зонде из металлической сетки

Третий способ предполагал нанесение на подложку-саженакопитель модифицированного NiO/MgO катализатора, приготовленного по оригинальной технологии с кальцийсодержащим связующим. Пастообразная смесь тонким слоем ~0,2 мм равномерно распределялась по подложке и высушивалась. Компоненты топливной смеси непосредственно направлялись в диффузионную горелку без дополнительных катализаторных прекурсоров. Подложка устанавливалась на стеклянный кожух, и проводился синтез. После этого углеродный депозит (рис. 2) удалялся и взвешивался.


Рисунок 2 – Углеродный депозит на подложке, обработанной модифицированным катализатором NiO/MgO

В опытах получен удельный выход продукта 0,87 – 4,03 грамм углеродного депозита на грамм катализатора.

Анализ данных, полученных в ходе экспериментов, позволяет сделать следующие выводы:

- наличие катализатора всегда ведет к увеличению выхода углеродного депозита;

- при уменьшении коэффициента избытка окислителя и работе на более богатых топливных смесях также наблюдается рост выхода углерода в конденсированной фазе;

- для увеличения выхода углерода, при использовании модифицированного NiO/MgO катализатора, нанесенного на подложку-саженакопитель, необходимо обеспечить равномерное распределение пламени по накопителю, например, подбором рациональной высоты его расположения.

Также проведены эксперименты по синтезу УНМ в инверсионном диффузионном пламени с подачей окислителя в центре, а горючего по периферии. Исследования показали существенное увеличение удельного выхода углеродного депозита до 2 – 8 (на единицу массы катализатора) при различных способах доставки катализаторных систем в пламя. Данную ситуацию можно объяснить тем, что при горении обогащенной топливной смеси в ядре потока формируется близкая к стехиометрической смесь, которая, сгорая, доставляет выделившееся тепло к периферии, тем самым вызывая реакцию крекинга избытка углеводорода и взаимодействие свободного углерода с катализатором. Таким образом, если в обычном диффузионном пламени главную роль в осаждении углерода на катализаторных частицах и управлении ростом углеродных наноструктур играет реакция диспропорционирования CO, то при реализации горения топливной смеси в инверсионном диффузионном пламени реализуется иной механизм возникновения свободного углерода.

Кроме этого, в опытах с инверсионным диффузионным пламенем наблюдалось более равномерное отложение углерода в конденсированной фазе на подложке-саженакопителе.

Рассмотренные методы синтеза наноструктурного углерода имеют существенные недостатки. Поэтому нами апробирована новая технология, заключающаяся в синтезе нанопродуктов при сжигании растворенных металлоценов в жидких углеводородах [5]. Данный способ позволяет отказаться от использования пожаровзрывоопасных газообразных углеводородов и добиться точной дозировки катализатора подаваемого в реакционную зону.

Предлагаемый метод предусматривает подготовку раствора металлорганического соединения (ферроцен) в жидком углеводороде (этиловый спирт, изопропиловый спирт, ацетон и др.) с последующим сжиганием в регулируемом потоке окислителя (воздух или кислород) и улавливаем углеродного депозита на зонде-саженакопителе. Горение полученного раствора можно организовать непосредственно с зеркала жидкости, при образовании паровой фазы или же в условиях распыления капель форсуночными устройствами.

Синтез с использованием раствора металлоцена в этаноле и изопропаноле вели методом испарения и подачи горючих паров в диффузионную горелку по центральному каналу. Вследствие малой растворимости ферроцена в используемых углеводородах, в настоящее время не удалось получить приемлемого выхода углеродного депозита.

Таким образом, метод с использованием инверсионного пламени в настоящее время признан наиболее перспективным для масштабирования технологии.


Библиографический список
  1. Ossler F, Wagner J, Canton S, Wallenberg L. Sheet-like carbon particles with graphene structures obtained from a Bunsen flame. Carbon. 2010; 48: 4203-6.
  2. Li Z, Zhu H, Xie D, Wang K, Cao A, Wei J et al. Flame synthesis of few-layered graphene/graphite films. Chemical Communications. 2011; 47:3520-2.
  3. Польшиков В.Ю. Разработка технологии и оборудования для синтеза углеродных наноструктурных материалов в диффузионном пламени // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов. Тамбов: изд-во ГОУ ВПО ТГТУ. 2011. Вып. II. С .202-206.
  4. Польшиков В.Ю., Баранов А.А. Проблемы и перспективы синтеза углеродных нанотрубок при сжигании углеводородов // Молодой учёный. № 5 (28) / 2011, Том I. С. 31-32.
  5. Зеленев И.Н., Перепечин А.В., Баранов А.А. и др. Синтез углеродных нанотрубок сжиганием растворенных металлоценов в жидких углеводородах // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: материалы III Международной научно-инновационной молодежной конференции. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2011. С. 260-263.


Все статьи автора «Баранов Андрей Алексеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: