Способ получения углеродных нановолокон
Патент 2301821
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Способ получения углеродных нановолокон
Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано при изготовлении наполнителей композитов и катализаторов или носителей катализаторов, сорбентов, аккумуляторов водорода. В реактор загружают железосодержащий катализатор, прокаливают его в среде инертного газа, например азота или аргона, при 850-1200°С в течение 2-3 ч. Затем катализатор охлаждают до 400-500°С. В реактор подают монооксид углерода и проводят его разложение при этой температуре на железосодержащем катализаторе. Изобретение позволяет увеличить выход нановолокон, сузить интервал варьирования их диаметров, снизить температуру синтеза. 1 табл.
Реферат
Изобретение относится к технологии производства углеродных нановолокон, которым прогнозируется широкое применение в качестве усиливающих или функциональных наполнителей композитов, катализаторов или носителей катализаторов, сорбентов, аккумуляторов водорода. Для эффективного применения по указанным направлениям углеродные нановолокна должны обладать достаточно высокой степенью графитации (малым межплоскостным расстоянием в кристаллитах графита), малыми диаметрами и узким диапазоном их варьирования.
Известен способ получения углеродных нановолокон [АС СССР №1298221, С09С 1/52, 1987 г.], основанный на разложении СО-содержащего газа на каталитически активных поверхностях.
Недостатком указанного способа является низкая степень графитации (рентгеноструктурный анализ показал рентгеноаморфность углерода) и большие значения диаметров нановолокон: 150-350 нм.
Наиболее близким к заявляемому является следующий способ [патент США №4663230, В32В 9/00, 1987]. Согласно этому способу углеродные нановолокна получают разложением углеродсодержащих соединений в области температур 850÷1200°С на железосодержащих катализаторах. Образующийся продукт характеризуется межплоскостным расстоянием 0,339÷0,348 нм и диапазоном варьирования диаметров нановолокон от 3,5 до 70 нм.
К недостаткам известного способа следует отнести достаточно широкий диапазон варьирования диаметров волокон, что значительно увеличивает неоднородность размеров пор углеродного материала, и низкий выход продукта, особенно при его получении в области высоких температур.
Техническим результатом изобретения является сужение интервала варьирования диаметров нановолокон; увеличение выхода нановолокон; снижение температуры синтеза.
Данный технический результат достигается тем, что термокаталитическое разложение монооксида углерода проводят при температурах 400÷500°С на железосодержащем катализаторе, который предварительно прокаливают в инертной среде при температурах 850÷1200°С в течение 2÷3 часов.
Примеры, иллюстрирующие изобретение.
Пример 1.
В реактор загружают ˜2 г железосодержащего катализатора с размером зерна 2÷3 мм, продувают инертным газом (азотом), нагревают до температуры 850°С и выдерживают при этой температуре (прокаливают) в течение 3 часов. После этого катализатор охлаждают до температуры 400°С и подают монооксид углерода.
Образующиеся углеродные нановолокна характеризуются межплоскостным расстоянием 0,346 нм и диапазоном варьирования диаметров от 12,4 до 44,7 нм. Выход углеродных нановолокон составляет 0,098 г/лСО.
Пример 2.
В реактор загружают ˜2 г железосодержащего катализатора с размером зерна 2÷3 мм, продувают инертным газом (аргоном), нагревают до температуры 1200°С и выдерживают при этой температуре (прокаливают) в течение 2 часов. После этого катализатор охлаждают до температуры 500°С и подают монооксид углерода.
Выход продукта и его характеристики представлены в таблице.
Пример 3.
В реактор загружают ˜2 г железосодержащего катализатора с размером зерна 2÷3 мм, продувают инертным газом (азотом), нагревают до температуры 800°С и выдерживают при этой температуре (прокаливают) в течение 3 часов. После этого катализатор охлаждают до температуры 350°С и подают монооксид углерода.
Выход продукта и его характеристики представлены в таблице.
Повышение температуры синтеза до 550°С и температуры прокаливания до 1300°С не приводит к существенным изменениям в диапазоне варьирования диаметров углеродных нановолокон, а их выход при этом снижается.
| Таблица | ||||
| Выход и характеристики углеродных нановолокон | ||||
| Показатель | прототип | пример | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Выход углеродных нановолокон, г/лСО | 0,009÷0,027 | 0,098 | 0,061 | 0,115 |
| Межплоскостное расстояние в кристаллитах графита, нм | 0,339÷0,348 | 0,346 | 0,343 | рентгеноаморфен |
| Минимальные значения диаметра волокна, нм | 3,5 | 12,4 | 10,8 | 20,2 |
| Максимальные значения диаметра волокна, нм | 70 | 44,7 | 41,9 | 128,7 |
Из сопоставительного анализа прототипа и предлагаемого технического решения видно, что выход углеродных нановолокон увеличивается в 2÷3 раза, диапазон варьирования диаметров нановолокон сокращается в 3÷4 раза, температура процесса снижается в 2,5 раза.
Способ получения углеродных нановолокон термокаталитическим разложением монооксида углерода на железосодержащем катализаторе, отличающийся тем, что катализатор предварительно прокаливают в инертной среде при температуре 850÷1200°С в течение 2÷3 ч, охлаждают, затем проводят разложение монооксида углерода при температуре 400÷500°С.