Патент 2296046

Способ обработки углеродных нанотрубок

Изобретение относится к области изготовления материалов для систем хранения водорода, а также к области получения углеродных нанотрубок и может использоваться при изготовлении углеродных нанотрубок, применяемых в качестве материала-носителя в различных системах аккумулирования водорода. Сущность изобретения: способ обработки углеродных нанотрубок предусматривает нагрев при температуре 1500-1600°С в парах сульфида цинка в течение 20-30 мин. Техническим результатом изобретения является увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок при одновременном снижении температуры и продолжительности процесса обработки. 1 табл.

Изобретение относится к области изготовления материалов для систем хранения водорода, а также к области получения углеродных нанотрубок и может использоваться при изготовлении углеродных нанотрубок, применяемых в качестве материала-носителя в различных системах аккумулирования водорода.

Известен способ обработки углеродных нанотрубок нагревом до 1700-2200°С в потоке аргона в течение 120 минут [L.Ci, H.Zhu, В.Wei, С.Xu, D.Wu. Annealing amorphous carbon nanotubes for their application in hydrogen storage. Applied Surface Science, 2003, v.205, p.39-43] - прототип. Способ позволяет увеличить сорбционную емкость углеродных нанотрубок по отношению к водороду в 1,26-3,09 раза в зависимости от температуры обработки. Основным недостатком способа является необходимость использования высокой температуры обработки для существенного увеличения сорбционной емкости материала. Обработка при 1700°С увеличивает адсорбционную способность только в 1,26 раза, тогда как для увеличения сорбционной емкости в 3,09 раза требуется нагрев до 2200°С. К недостаткам также следует отнести большую длительность обработки (120 минут).

Задачей настоящего изобретения является увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок при одновременном снижении температуры и продолжительности процесса обработки.

Эта задача решается в предлагаемом способе обработки углеродных нанотрубок, включающем нагрев, который проводится при температуре 1500-1600°С в замкнутом объеме в парах сульфида цинка в течение 20-30 мин.

Обработка в парах сульфида цинка позволяет увеличить сорбционную емкость углеродных нанотрубок по отношению к водороду в 3,4 раза, при этом температура проведения процесса снижается до 1500-1600°С, а продолжительность обработки снижается до 20-30 минут.

Сульфид цинка имеет температуру плавления 1765°С и давление собственных паров в точке плавления свыше 4,5 атм. При нагреве сульфида цинка в твердой фазе он сублимирует; при температуре примерно 1550°С давление собственных паров составляет 1 атм. При нагреве материала выше 1600°С пары сульфида цинка интенсивно диссоциируют с образованием атомарного цинка и молекулярной серы.

Увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок под воздействием паров сульфида цинка объясняется увеличением площади активной поверхности нанотрубок за счет химического взаимодействия этих материалов.

Выбор температурного интервала проведения процесса обработки обусловлен тем, что при температурах ниже 1500°С, когда давление собственных паров ZnS меньше 1 атм, сульфид цинка испаряется недостаточно интенсивно и существенного увеличения сорбционной емкости нанотрубок не достигается. При температурах выше 1600°С пары сульфида цинка интенсивно диссоциируют и углеродные нанотрубки быстро разрушаются под воздействием сильного окислителя - газообразной серы, являющейся одним из продуктов диссоциации.

При длительности процесса менее 20 мин сорбционная емкость углеродных нанотрубок не достигает максимальных значений. При увеличении продолжительности обработки свыше 30 мин сорбционная емкость сначала перестает увеличиваться, а затем начинает снижаться, что можно объяснить начинающимся разрушением нанотрубок.

По окончании процесса избыточный испарившийся сульфид цинка конденсируется на холодных стенках устройства для проведения обработки и может быть собран для повторного использования.

Режимы обработки приведены в таблице, где для сравнения также приводятся результаты обработки по способу-прототипу, взятые из [L.Ci, H.Zhu, В.Wei, С.Xu, D.Wu. Annealing amorphous carbon nanotubes for their application in hydrogen storage. Applied Surface Science, 2003, v.205, p.39-43].

Таблица
№ п/пТемпература обработки, °СВремя обработки, минСорбционная емкость необработанных нанотрубок, мас.%Сорбционная емкость обработанных нанотрубок, мас.%Увеличение сорбционной емкостиСпособ
1.17001201,291,62в 1,26 разапрототип
2.19001201,292,21в 1,71 разапрототип
3.20001201,292,34В 1,81 разапрототип
4.22001201,293,98в 3,09 разапрототип
5.1480251,23,2в 2,7 разапредлагаемый
6.1500251,24,1в 3,4 разапредлагаемый
7.1550251,24,1в 3,4 разапредлагаемый
8.1600251,24,1в 3,4 разапредлагаемый
9.1620251,23,4в 2,8 разапредлагаемый
10.1650251,2Разрушение нанотрубокпредлагаемый
11.1550151,23,6в 3 разапредлагаемый
12.1550201,24,1в 3,4 разапредлагаемый
13.1550301,24,1в 3,4 разапредлагаемый
14.1550351,24,0в 3,3 разапредлагаемый
15.1550401,23,7в 3,1 разапредлагаемый
Примечание: условия насыщения водородом во всех случаях одинаковы - давление 100 атм, температура 25°С, продолжительность насыщения - 24 часа.

Из таблицы видно, что только при условиях, соответствующих предлагаемым (строки 6-8, 12-13) достигается максимальное увеличение сорбционной емкости углеродных нанотрубок. При этом температура и длительность обработки снижаются по сравнению со способом-прототипом.

Пример

Навеску углеродных нанотрубок массой 1 г помещают в контейнер так, что нанотрубки находятся над источником сульфида цинка массой 0,5 г на расстоянии 30 мм. Контейнер вакуумируют до 10-3 мм рт.ст. и герметизируют. Затем контейнер помещают в безградиентную печь, разогретую до 1550°С, и выдерживают 25 минут. Потом контейнер извлекают, охлаждают и вскрывают. Испарившийся сульфид цинка, сконденсированный на стенках контейнера, собирается для повторного использования. Обработанные нанотрубки насыщаются водородом под давлением 100 атм и при температуре 25°С в течение 24 часов. Сорбционная емкость углеродных нанотрубок увеличивается в 3,4 раза по сравнению с исходным образцом.

Способ обработки углеродных нанотрубок, включающий нагрев, отличающийся тем, что обработка проводится при температуре 1500-1600°С в парах сульфида цинка в течение 20-30 мин.