ОЧИСТКА И ВЫДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

АННОТАЦИЯ

Полученный углеродный материал, кроме углеродных нанотрубок, имеет примеси в основном в виде аморфного углерода, и проводились исследования по очистке и выделению углеродных нанотрубок для удаления графитовых и металлических частиц катализатора и этих примесей. Для получения углеродных нанотрубок был использован новый метод преобразования углеродного материала и водорода за счет совместного действия газа-катализатора. Разработан простой и недорогой метод очистки и отделения углеродных нанотрубок от углеродных наноматериалов.

ABSTRACT

The obtained carbon material, in addition to carbon nanotubes, has impurities mainly in the form of amorphous carbon, and studies have been carried out on the purification and isolation of carbon nanotubes to remove graphite and metal catalyst particles and these impurities. To obtain carbon nanotubes, a new method was used to convert carbon material and hydrogen through the combined action of a gas catalyst. A simple and inexpensive method has been developed for purifying and separating carbon nanotubes from carbon nanomaterials.

Ключевые слова: ацетилен, углеродный материал, углеродные нанотрубки, окисление углерода, катализатор.

Keywords: acetylene, carbon material, carbon nanotubes, carbon oxidation, catalyst.

Введение

С момента их наблюдения в 1991 году углеродные нанотрубки (УНТ) широко изучались как в фундаментальных исследованиях, так и в коммерческих целях из-за их индивидуальной структуры, морфологии и замечательных физических и химических характеристик. Например, высокая прочность и прочность на разрыв углеродных нанотрубок позволяют улучшить механические свойства композиционных материалов. [1]. Высокая удельная прочность, отличная электропроводность, хорошая термическая и химическая стойкость делают УНТ перспективным кандидатом для многофункционального (электрического, термического и т. д.) улучшения свойств и приспособления в различных областях. [2-3]. 

Производство по очистке и выделению углеродного вещества, углеродных нанотрубок осуществлено в Ташкентском научно-исследовательском химико-технологическом институте.

В данной статье мы рассмотрим углеродный материал, помимо углеродных нанотрубок, которые имеют примеси в виде частиц углерода и графита и металлического катализатора, а также производственный метод очистки и выделения углеродных нанотрубок для удаления этих примесей. [4].

Очистка и выделение углеродных нанотрубок из углеродного материала: Полученный углеродный материал, кроме углеродных нанотрубок, имеет примеси в основном в виде аморфного углерода, частиц графита и металлических катализаторов, а также исследования по очистке и выделению углеродных нанотрубок для удаления этих примесей. В процессе очистки необходимо избавиться не менее чем от 25-27 % нежелательных примесей, что обуславливает определенные ограничения в выборе метода очистки и выделения.

Методы очистки и выделения нанотрубок, связанные с различными химическими и физико-химическими принципами, широко представлены в литературе [5-7]. Основные из них - сложность конструкции оборудования, дороговизна и невозможность переработки большого количества углеродного материала, наиболее перспективными являются взятые за основу окислительные методы очистки [8].

Разработан и применен двухступенчатый процесс очистки углеродсодержащего материала. На первом этапе углеродный материал обрабатывали толуолом (C₆H₅CH₃) в течение 24 часов с последующей фильтрацией. На втором этапе отфильтрованный осадок окисляют кислородом воздуха при температуре 350 ºС в течение 1 и 4 часов. Результаты РФА полученных материалов представлены в табл. 1.

Рисунок 1. Рентгенофазовый анализ углеродного материала

Таблица 1.

Рентгенофазовый анализ углеродного материала

Исследования показали, что обработка углеродного материала толуолом позволяет полностью очистить углеродный материал от следов металлов. Результаты ФП показывают, что термическое окисление углеродного материала имеет сложную химическую природу. При термообработке в течение 1 часа происходит окисление активного угля и образование одностенных нанотрубок. Вскрытие многослойных УНТ при окислении нанотрубок на воздухе описано в [9]. Это объясняет увеличение одностенных нанотрубок по сравнению с разворачиванием их многослойных структур. При большем времени термоокисления (4 часа) ситуация резко меняется. За 4 часа термообработки одностенные нанотрубки полностью окисляются. Также наблюдается переход к многостенным нанотрубкам, происходящий при окислении внешних слоев [10, 11]. Процессы термического окисления также приводят к потерям массы углеродистого вещества, выражающимся в выходе полученных продуктов.

Наиболее интересным процессом является образование фуллеренов из углеродного материала при термообработке (см. табл. 1.1). Образование фуллеренов может быть связано с процессами окислительной деструкции однослойных и многостенных УНТ, а также с термическим превращением аморфного углерода.

Полученные УНТ подвергали ИК-спектроскопии.

ИК анализ полученных УНТ на основе газа ацетилена проводили на приборе SHIMADZU производства Японии (диапазон 400-4000 см-1, размер 4 см-1):

Для сравнения спектров используются основные данные программы, которая автоматически их анализирует, а для графического представления спектров используется база данных пользовательской библиотеки программы.

Химические изменения при взаимодействии нанотрубок с высокодисперсным черным порохом и механизм реакции могут быть изучены с помощью ИК-спектроскопии.

Рисунок 2. ИК-спектроскопия УНТ

На рис. 2 ИК-спектр нанотрубок для композиционных материалов, полученных на основе катализатора, в основном рассчитан, так как деформационные колебания в этой области относятся к свободной ароматической группе при 570 см-1. Он отражается в диапазоне 462,92 см-1 в зависимости от циклического пика поглощения.

Выводы

Таким образом, процесс роста УНТ, соответствующие условия его появления: температура, состав газовой фазы, требует наличия катализатора определенного химического состава, важна их очистка. В результате исследований был разработан более экономичный способ очистки и выделения углеродных нанотрубок из углеродного материала с выходом до 50%. Разработан эффективный физико-химический реактор непрерывного действия для преобразования углеводородных газов в углеродное сырье и водород.

Список литературы:

1. S.C. Zhang, L. Qian, Q.C. Zhao, Z.Q. Wang, D.W. Lin, W.M. Liu, Y.B. Chen, J. Zhang //Carbon nanotube: controlled synthesis determines its future // Sci. China Mater., 63 (2020), pp. 16-34
2. L. Kong, C. Wang, X.W. Yin, X.M. Fan, W. Wang, J.F. Huang // Electromagnetic wave absorption properties of a carbon nanotube modified by a tetrapyridinoporphyrazine interface layer //J. Mater. Chem. C, 5 (2017), pp. 7479-7488
3. Y.J. Su, Y.F. Zhang // Carbon nanomaterials synthesized by arc discharge hot plasma // Carbon N Y, 83 (2015), pp. 90-99
4. Способ получения углерода и водорода из углеводородного газа и устройство для его осуществления: пат. РФ № 2317943; заявл. 20.12.2005; опубл. 27.02.08, Бюл. № 6.
5. Shunji B., Rao A.M., Williams K.A., Thess A., Eklund P.C. // Purification of Single-Wall Carbon Nanotubes by Microfiltration // J. Phys. Chem. B. – 1997. – V. 101. – P. 8839–8842.
6. Shi Z.J., Lian Y.F., Liao F.H., Zhou X.H., Gu Z.N., Zhang Y., Iijima S. // Purification of singlewall carbon nanotubes // Solid State Commun. – 1999. – V. 112. – P. 35–38.
7. Hui Hu, Biu Zhao, Mikhail E. Itkis, Robert C. // Haddon Nitric Acid Purification of Single-Walled Carbon Nanotubes // J. Phys. Chem. B. – 2003. – V. 107. – P. 13838–13842.
8. Ajayan P.M., Ebbesen T.W., Ichihashi T., Iijima S., Tanigaki K., Hiura H. // Opening carbon nanotubes with oxygen and implication for filling // Nature. – 1993. – V. 362. – P. 522–525.
9. Datsyuk V., Kalyva M., Papagelis K., Partenios J., Tasis D., Sio Kou A., Kallitsis I. Chemical oxidation multiwalled carbon nanotubes // Carbon. – 2008. – V. 46. – P. 833–840.
10. А.Г. Жерлицын, В.С. Косицын, А.С. Кобец, П.С. Постников, М.Е. Трусова, В.П. Шиян // Поступила Получение углеродных нанотрубок из природного газа // Вестник науки Сибири. 2012. № 3 (4) // 04.04.2012 г.
11. Khaydarov T. Z., Rakhmankulov A.A., Karimov M.U. Djalilov A.T. // Growth of carbon nanotubes on catalyst // Universum: химия и биология 6(108) https://7universum.com/ru/nature June 07, 2023. DOI - 10.32743/UniChem.2023.108.6.15619