Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА АКТИВНОСТЬ КАТАЛИЗАТОРА СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Авторы:
Город:
Тамбов
ВУЗ:
Дата:
15 апреля 2017г.

Углеродные нанотрубки (УНТ) уникальный материал, обладающий высокими показателями прочности. Именно поэтому он привлекателен в качестве наполнителей композиционных материалов. Для обеспечения широкого применения наноматериалов необходимо реализовать их синтез с заданными характеристиками в промышленных масштабах.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по решению данной задачи. Одним из освоенных способов синтеза УНТ является CVD, в котором ключевым фактором, позволяющим регулировать качество нанопродукта, является катализатор. Именно от выбора каталитической системы и способа ее получения зависит морфология УНТ, поэтому остается актуальным изучение влияния режимных параметров ее получения на каталитическую активность и эффективность системы.

Обычно катализатор синтеза УНТ состоит из: активного компонента – чаще всего металлов группы Fe (Co, Fe, Ni), инертного носителя (Al2O3, SiO, MgO) и промотора (Mo, Y, Ru). Существует ряд работ, в которых изучалось влияние активного компонента [8], носителя [4], промотора [5]. Огромное количество трудов посвящено изучению влияния концентрации основных исходных компонентов [1, 6, 7], способа получения [9] и методов активации [2, 3] на эффективность катализатора. Также имеет значение менее затронутый, но не менее важный параметр, влияние термической обработки в процессе получения катализатора на его эффективность. В работе [10] авторы исследовали и экспериментально доказали, что от температуры и времени прокаливания катализатора зависит однородность синтезируемого материала.

Данная статья посвящена изучению влияния температуры и продолжительности термической обработки CoMo/Al2O3-MgO катализатора синтеза УНТ на его эффективность. Катализатор получали методом термического разложения. Помимо основных компонентов-кристаллогидратов и парамолибдата аммония в качестве хелатообразующего вещества использовали лимонную кислоту. Катализатор получали в несколько стадий: растворение, разложение и прокаливание. Раствор исходных компонентов CoMo/Al2O3-

MgO катализатора (ρ=1518 кг/м3, 𝛽=1,65 мкСм/см) подвергли разложению при температуре 500 °C в течение 15 минут.  Экспериментально  был  определен  оптимальный  объем  заполнения  емкости,  в  которой происходило термическое разложение, раствором предкатализатора. Наибольший объем раствора предкатализатора, способный разложиться в течение 15 минут, составляет 0,19 мл/см2. В результате разложения раствора предкатализатора происходит формирование катализатора, имеющего объемную чешуйчатую структуру. Для удаления остатков органики из катализатора полученный полупродукт помещали в муфельную печь для прокаливания (объем заполнения поддона 0,2 г/см2, высота слоя 4 см), после чего полученный катализатор (насыпная плотностью ~0,1 г/см3, дисперсность ~100 мкм) измельчили и использовали в CVD процессе.

В ходе эксперимента варьировали температуру и продолжительность процесса прокаливания. Температурный диапазон составлял 550 ÷ 750 °C с шагом в 50 °C. Продолжительность процесса прокаливания CoMo/Al2O3-MgO катализатора при каждом значении температуры составляла 120 минут, каждые 15 минут из муфельной печи отбирали и анализировали образец. В результате чего было получено и изучено 40 образцов катализатора, которые испытывались в реакторе периодического синтеза УНТ (рис. 1).


На основании полученных экспериментальных данных оценивали эффективность синтезированных образцов CoMo/Al2O3-MgO катализатора. В качестве источника углерода в процессе CVD использовали этилен (ГОСТ 25070-2013), так как именно использование этилена позволяет исключить влияние примесей, находящихся в пропан-бутановой смеси, на УНТ. Процесс CVD проводили в течение 30 минут при температуре 650 °С. Эффективность CoMo/Al2O3-MgO катализатора оценивали по удельному выходу нанопродукта (гc/гkat). Полученные данные по влиянию продолжительности процесса прокаливания на удельный выход УНТ (γ) представлены на рис. 2.




Диагностика синтезированных УНТ на полученных образцах CoMo/Al2O3-MgO катализатора с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) доказывает, что все образцы нанопродукта представляют собой углеродные нитевидные образования диаметром 10-60 нм.

ВЫВОД

Экспериментально доказана роль термической обработки в процессе получения CoMo/Al2O3-MgO катализатора методом термического разложения. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что чем выше температура прокаливания, тем более эффективен формирующийся катализатор. Оптимальными условиями прокаливания исследуемой каталитической системы является термообработка ее при 750 °C в течение 60 минут. Удельный выход УНТ, полученных на данном катализаторе, составляет 30 гc/гkat. Доказано, что от условий проведения процесса прокаливания существенно зависит каталитическая активность CoMo/Al2O3-MgO системы, так прокаливание катализатора в течение 1 ч позволяет увеличить выход УНТ на 35 %. Соблюдение методики получения катализатора позволяет получать систему, использование которой в процессе CVD способствует синтезу УНТ с диаметром 10÷60 нм.

 

Список литературы

 

1.   Левицкий, В.С. Исследование каталитических свойств пленочных золь-гель систем CoOx-SiO2 на примере роста углеродных наноматериалов / В.С. Левицкий, А.И. Максимов, В.А. Мошников и др. // Физика твердого тела. – 2014. – 56(7). – с. 1356-1359.

2.        Пат.     2373995    С1     РФ,     МПК     B01J37/00    B01J23/74       C01B31/00.    Способ    получения высокодисперсных нанесенных катализаторов и синтез углеродных нанотрубок [Текст] / В.Л. Кузнецов, А.Н. Усольцева, опубл. 27.11.2009. – 18с.

3.   Burakova E.A., Rukhov A.V., Galunin Е.V., Tkachev A.G., Memetov N.R. Effect of Ultrasound on a Mixed Oxide-Based Catalyst in the Synthesis of Carbon Nanostructured Materials. Research on Chemical Intermediates Vol.42, №4. 2016. DOI 10.1007/s11164-016-2516-9.

4.   Ganiyu, S.A. Carbon nanostructures grown 3D silicon carbide foams: Role of intermediate silics layer and metal growth / S.A. Ganiyu, O. Muraza, A.S. Hakeem // Chemical Engineering Journal. – 2014. – 258. – p. 110 – 118.

5.   Guang-Yong Xiong. Aligned millimeter-long carbon nanotube arrays grown on single crystal magnesia / Xiong Guang-Yong, D.Z. Wang, Z.F. Ren // Carbon/ - 2006. – 44. – p.969 – 973.

6.   Liu, H. Effects of bimetallic catalysts on synthesis of nitrogen-doped carbon nanotubes as nanoscale energetic materials / Hao Liua, Yong Zhanga, Ruying Li // Particuology. – 2011. – 9. – p. 465-470.

7.     Ohashi, M. Synthesis and diameter control of vertically-aligned carbon nanotube growth  from Langmuir–Blodgett films deposited Fe3O4@SiO2 core–shell nanoparticles / M. Ohashi, T. Sugawara, K. Kawasaki // Japanese Journal of Applied Physics. – 2014. – 53. - 02BD09.

8.   Sivakumar, V.M. Optimized parameters for carbon nanotubes synthesis over Fe and Ni catalysts via methane CVD / V.M. Sivakumar1, A.Z. Abdullah1, A.R. Mohamed // Rev.Adv.Mater.Sci. – 2011. – 27. – p. 25-30.

9.   Wang, G. Preparation and evaluation of molybdenum modified Fe/MgO catalysts for the production of single-walled carbon nanotubes and hydrogen-rich gas by ethanol decomposition / Gang Wang, Jianhua Wang, Hui Wang // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2014. - №2. – p. 1588–1595.

10.   Wang, H. CoSO4/SiO2 catalyst for selective synthesis of (9, 8) single-walled carbon nanotubes: Effect of catalyst calcination / Hong Wanga, Fang Ren b, Changchang Liu b // Journal of Catalysis. – 2013. – 300. – p. 91-101.