Способ получения углеродных нанотрубок Российский патент 2023 года по МПК C01B32/16 B82Y30/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способу получения углеродных нанотрубок (УНТ), а также к каталитическим системам, которые используют для синтеза углеродных нанотрубок.

Известен способ получения углеродных нанотрубок (пат. РФ №2571150 опуб. 20.12.2015 Бюл. №35). В объемную термическую плазму вводят углеродсодержащий материал и катализаторы, а для осаждения используют реактор. Углеродсодержащий материал подают в смеси с катализатором в реакционную зону дуги закрученным потоком рабочего газа после стабилизации дуги, необходимой для лучших условий испарения углеродных материалов и получения нанотрубок с определенными свойствами. В качестве углеродсодержащего материала используют сажу или графит в порошкообразном или гранулированном виде. В качестве рабочего газа используют один из газов: гелий, аргон, азот или их смесь.

Указанный способ отличается сложностью проведения и использования материалов и аппаратуры. Применение объемной плазмы, стабилизации дуги, использование материалов сажи, графита, применение инертных газов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ получения углеродных наноструктур (пат. РФ №2573035 опуб. 20.01.2016 Бюл. №2) путем разложения газообразных углеводородов в реакционной камере в присутствии металлического катализатора и температуре 600-1200°С, включающий получение рабочей смеси, имеющей температуру 400-1400°С. Газообразный углеводород выбирают из ряда: природный газ, метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, этилен, пропилен, алифатические углеводороды, или углеводороды, в которых количество атомов углерода находится в диапазоне от 1 до 10. При этом несущий газ выбирают из ряда: инертный газ, или водород, или азот, или аммиак, или углеводород, или пары спирта, или смесь двух, трех и более из них. А пары, содержащие вещество катализатора, получают в камере испарения в атмосфере проточного газа путем электрического взрыва проволоки, содержащей вещество катализатора, при пропускании через нее импульса тока плотностью 104-107 А/мм². Способ характеризуется тем, что углеродные наноструктуры, осевшие или сформировавшиеся на стенках реакционной камеры, удаляют с помощью механического средства.

Способ характеризуется сложностью его проведения ввиду пропускания углекислого газа сквозь активированный уголь, вещество катализатора получают путем электрического взрыва, применяется широкий набор инертных газов, углеводородов.

Задачей изобретения является упрощение процесса получения УНТ.

Решение поставленной задачи достигают тем, что в способе получения углеродных нанотрубок путем разложения углеродсодержащих материалов в присутствии металлического катализатора, в качестве углеродсодержащего материала используется монооксид углерода (СО) при температуре 800-1000 °С, который подают на катализатор, находящийся при температуре 200-400 °С.

Сущность способа заключается в том, что используется монооксид углерода (СО) в присутствии катализатора. Катализатор выбирают из ряда переходных металлов: Группы 5В, Группы 6В, Группы 8, преимущественно, железо, или смесь двух, трех, или более переходных металлов

Способ основан на реакции Будуара-Белла:

Реакция обратимая с температурой равновесия ~700 °С. Выше этой температуры равновесие реакции сдвинуто в лево и содержится в основном СО, при температурах ниже 700 °С образуется С и СO₂.

Нижний предел температуры газа СО 800 °С выбран в связи с получением сравнительно высокого содержания СО при соотношении СО/СO2 ≈ 8,7. При снижении температуры до 700°С константа равновесия реакции (1) становится равной 1 и СО в газовой фазе практически отсутствует.

Верхний предел температуры газа СО 1000 °С выбран в связи с тем, что содержание СО в газовой фазе выше 1000 °С достигает 100 % и не изменяется с повышением температуры, а при превышении температуры 1000 °С будет происходить перегрев катализатора и снижение выхода УНТ.

Нижний предел температуры катализатора 200 °С связан с тем что при температурах ниже 200 °С скоростью реакции (1) низка.

Верхний предел температуры катализатора 400 °С связан с тем, что при температурах выше 400 °С реакции (1) характеризуется низким выходом углерода и при 700 °С содержание СО и СO₂ практически сравнивается и сажистый углерод в продуктах реакции отсутствует.

Для получения углеродных нанотрубок по заявленному способу использовали установку (фиг. 1). Установка работает следующим образом. В кварцевой колбе 1, в одну из стенок которой герметично вставлен никелевый катализатор 2, охлаждаемый воздухом в области температур 200-400 °С. В колбу 1 подается газ СО через трубку 3 при температурах 800-1000 °С.

Продукты реакции СO₂ удаляются через трубку 4. Смесь сажи и углеродистых нанотрубок удаляются через пробку 5 с помощью механических средств.

Температура катализатора измеряется термопарой.

Опыты проводили следующим образом. Емкость 1 предварительно продували аргоном, после чего подавали газ СО при температурах 700-1000°С, предварительно нагрев катализатор 2 до 200-400°С с помощью горячего воздуха. По истечению 5 мин полученная смесь сажи и углеродных нанотрубок анализировалась на извлечение нанотрубок в смесь.

Результаты опытов приведены в таблице.

Приведенные примеры не ограничивают возможность осуществления нового способа при других значениях температур оксида углерода и катализатора, но в заявляемом интервале.

Новый способ позволяет упростить процесс получения углеродных нанотрубок по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к нанотехнологии. Способ получения углеродных нанотрубок (УНТ) включает термическое разложение монооксида углерода СО в присутствии металлического катализатора. Углеродные нанотрубки получают в среде смеси газов СО и CO₂ путем подачи СО с температурой 800-1000°С на никелевый катализатор, имеющий температуру 200-400°С. Изобретение позволяет упростить процесс получения углеродных нанотрубок с высоким выходом. 1 ил., 1 табл.

Способ получения углеродных нанотрубок путем термического разложения монооксида углерода СО в присутствии металлического катализатора, отличающийся тем, что получение углеродных нанотрубок производится в среде смеси газов СО и CO₂ путем подачи монооксида углерода при температуре 800-1000°С на никелевый катализатор при температуре 200-400°С.