Синтез наноструктурных материалов методами пиролиза углеводородов и диспропорционирования СО
В связи со все расширяющимся интересом к практическому использованию углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон, образующихся на их основе, все большее количество исследователей подключается к их изучению. Хотя первые углеродные волокна были изучены и запатентованы 115 лет тому назад, в наше время на УНТ обратили внимание, как на побочный продукт синтеза фуллеренов. Количество публикаций, посвященных УНТ, во много раз сегодня превышает количество работ в области фуллеренов.
УНТ получают многими способами и методами, позволяющими синтезировать их для определенных целей, и с нужными свойствами.
Приоритетом настоящей исследовательской группы является синтез наноструктур методом пиролиза углеводородов, диспропорционированием CO либо проведением реакций, подобных вышеперечисленным с использованием углеродсодержащих сред или реагентов.
В лаборатории изготовлены две экспериментальные пиролитические установки, позволяющие проводить большой комплекс исследований. Обе установки дают возможность проводить исследования при температурах до 1400С. Если установка с горизонтальным реактором позволяет отрабатывать технологические режимы по синтезу наноструктур и изучать влияние температуры, давления, химического состава смеси и природы реагентов, то
установка с вертикальным реактором позволяет изучать влияние химических составов газовых смесей, их перемешивания, влияние отходящего газа (водорода), степени турбулентности газовых потоков на морфологию синтезируемых объектов и их выход.
Технологическая пиролитическая установка для синтеза углеродных наноструктур и НТ нитрида кремния
Установка с вертикальным реактором
Особое место в пиролитическом синтезе отводится подготовке катализаторов. Они вводились в реактор в виде насыпки, пропитанной подложки или в виде летучих соединений Co и Fe. Предварительно компоненты катализатора подвергаются механическому смешиванию и размолу в шаровой мельнице в среде водорода при давлении 1-1,5 МПа.
Считается, что УНТ обладают исключительными механическими
свойствами с теоретическим модулем Юнга 1-5 ТПа и с прочностью на растяжение ~ 200 ГПа, что позволит создать композиционные материалы нового поколения. В лаборатории отрабатываются методы синтеза углеродных наноструктур методом пиролиза углеводородов с целью их использования в нанокомпозитах. Изучается влияние технологических условий на морфологию образующегося продукта (a - волокнистого, б - ватоподобного или
в - войлокообразного) и его удельную плотность.
а
б
в
Различные виды продукта
Особое внимание уделяется синтезу продукта, элементы которого имеют большое отношение диаметра к длине, достаточно чистого, с малым количеством различных углеродных примесных форм и катализатора, их удалению, а также подготовке поверхности УНТ к введению в композит. Это особо важно для достижения хорошей адгезии между УНТ и матрицей с целью облегчения инфильтрации полимера в пучки волокон, что является очень серьезной проблемой для волокон диаметром менее 200 нм.
Устройство химической обработки продукта
Печь с вращающимся реактором
Достаточно чистые продукты синтеза
получаются при чередовании термической и химической обработки синтезируемых материалов, варьированием химических составов и температур. Более эффективно проходит очистка при дополнительном использовании СВЧ обработки.
Изучение влияния технологических условий на производительность, структуру, дисперсность, геометрические формы элементов, составляющих продукт, является особо важной задачей. В лаборатории этим исследованиям уделено особое внимание.
Данной группой отрабатываются приемы и исследуются возможности целенаправленного синтеза спиралевидных нановолокон и нанотрубок. При некоторых технологических условиях в продукте синтеза образуются геликоидные нанотрубки, равномерно скрученные в виде колец или спиралей. Процесс скручивания в спираль во время роста еще не полностью объяснен. Возможно спираль образуется в ходе каталитического роста из-за анизотропии экструзии, связанной с различными гранями каталитической частицы, на которой растет нанотрубка, возможно причина в окружающей среде и, в частности, в турбулентности движения газовых потоков в ходе синтеза.
Подобные объекты имеют большое будущее в виде нанопружин и спиралей, наноиндукторов и индуктивностей, наполнителей композиционных материалов и материалов с особыми магнитными свойствами.
а
б
в
Спиралевидный продукт
Синтезируемые УНТ и волокна исследователи лаборатории используют в источниках света, топливных элементах, накопителях водорода, композиционных материалах и т.д.