Пристрій для одержання вуглецевих наноструктурних матеріалів (внм) у камері каталітичного розкладу со

Винахід стосується області неорганічної та фізичної хімії, матеріалознавства, нанотехнологій, зокрема, пристроїв для синтезу високо чистих вуглецеви х глобулярних наноструктурних матеріалів (ВГНМ), (каталітичні матриці дегідрування та циклізації вуглеводнів, сировина для виготовлення наноамазів), вуглецевих волокнистих наноструктурних матеріалів (ВВНМ), (складова пірографіту, що забезпечує високу анізотропію його властивостей) вуглецевих багато стінних та одностінних нанотрубок (ВБНТ), (сорбенти водню), (ВОНТ), (холодні катоди плоских екранів комп'ютерів). Використання запропонованого пристрою забезпечить у певній мірі реальні потреби сучасних високих технологій [1], [Трефилов В.И. и др. Фулерены - основа материалов будущего. - Киев, изд.-во АДЕФ-Украина, 2001. - С.141-146.]. Широкому використанню ВНМ на сьогодні заважає: недостатня, за одиничними винятками, цільова продуктивність відомих пристроїв, збиткова та архаїчна процедура очищення ВНМ, висока ціна обладнання для ідентифікації, відсутність надійних методів кількісного вимірювання окремих форм ВНМ у те хнологічних суміша х, використання отруйних та небезпечних сировинних матеріалів, екстремальні умови синтезу, забруднення оточуючого середовища, (газува ті викиди СО прямоточних систем), що, на тому, не зменшує високу ціну ВН М. Використання простого пристрою, що реалізує не екстремальні, природні, замкнені, безвідходні технології, складеного на основі дешевих, безпечних матеріалів та вихідної сировини, спрощує та локалізує процес одержання ВНМ, що знижує собівартість кінцевої продукції. Відомий пристрій для одержання ВНМ у кварцовій камері каталітичного розкладу СО, що включає: зовнішнє джерело СО, піч з однією зоною нагріву камери, де розміщено порошок заліза [2], [Радушкевич Л.В., Лукъянович. О структуре сажи, полученной термическим разложением монооксида углерода на железном катализаторе. // Ж.физ.химии. - 1952. - Т.26, №1. - С.88-95.] В аналогічних пристроях використовуються каталізатори: Ni/Аl2О 3; Nі,Со/Аl2O3 , а також зовнішнє джерело СО/СO2, де CO-20% [3], [Dai H., Rinzler A.G., Nicolaev P., Thess A., Colber R.E., Smalley R.E. // Chem.Phys.Lett - 1996. - Vol.260. - Р.471]. Недоліком цих пристроїв є прямоточна газотранспортна система, невідновлюваність джерел СО/СО2, не кращій вибір температурного режиму осадження вуглецю, чимала кількість домішок. Ці недоліки в цілому вирішуються у пристрої Р.Смоллі за рахунок значного підвищення температури розкладу та тиску CO (екстремальні умови синтезу) із домішками токсичного "плаваючого каталізатора" Fe(CO)5, що теж може бути віднесено до недоліків, [4], (Nicolaev P., et.al. Gas-Phase catalitic growth of GWCNT from carbon monooxide. // Chem.Phys.Lett-5 November, 1999. - Vol.313. - P.91]. Пристрої каталітичного розкладу СО та піролізу вуглеводнів практично однакові. За аналог узято відомий пристрій для одержання ВНМ у реакторі каталітичного розкладу ацетилену, що включає камеру, піч із двома нерухомими зонами нагріву, периферію керування, каталізатор порошок Fe, Co, Ni у першій зоні нагріву, вкладку - графіт, SiO2, Аl 2О3 , прямоточну газотранспортну систему, зовнішні джерела (балони) стиснених газів, блок-станцію газопідготовки, уловлюючий засіб (барботер), [5], [Lange Н., Huczko A., Buszevski P., E-Mi zera, Shinohara Н. // Chem.Phys.Lett. - 1998. - Vol.289. - P.174]. Недоліками цього пристрою є зовнішні, не відновлювальні джерела газового живлення, прямоточність газотранспортної системи, наявність побічних вуглецевих форм у цільовому продукті, газові викиди у зовнішнє середовище, а головне - обмежені технологічні властивості. Метою винаходу, є якісне підвищення технологічних можливостей та цільової ефективності пристрою, що пропонується. Указана мета досягається за рахунок того, що в пристрої для одержання ВНМ, який включає камеру каталітичного розкладу CO з мулітосилікатної кераміки. Піч із двома зонами нагріву, порошок каталізатора Fe, Co, Ni та графітн у вкладку у др угій зоні нагріву, газотранспортну систему, вимірювально-регулюючі термоелектричні та газові засоби, де згідно винаходу , в першій зоні нагріву додатково розміщено металеву тару із Fe, Co, Ni, що заповнена порошком вуглецю. Це дозволило в першій, генеруючій зоні нагріву одержати надійне внутрішнє джерело СО в результаті ступінчатих реакцій взаємодії кисню повітря з каталізованим металічною тарою вуглецем згідно рівнянням С+O2=2СО (1) та СО+О2= СО2 (2), де співвідношення СО/СО2 Будуара (Boudouard) установлюється швидко [6,7] [Г.Реми. Курс неорганической химии. - М.Мир, 1972. - Т.1. - С.431-432. В.Б.Некрасов. Основы общей химии. - М.Химия, 1967. - Т.2. - С.7-8. - Рис.Х-2.]. Таким чином, стартове заповнення пристрою O2, СО, СO2 чи повітрям не має принципового значення. Завдяки другій рухливій зоні нагріву над графітовою вкладкою та порошком каталізатора, в необхідний момент починати та завершувати процес осадження ВНМ згідно рівноважної реакції 2СО=С+С O2 (3). Завдяки замкнутому контуру газотранспортної системи та примусовому регулюванню газового потоку, вдалось швидко відновити СО2 у генеруючій зоні нагріву до вихідного співвідношення СО/СО2, та перетворити газуваті відходи реакції (3) у сировину. На кресленні показано пристрій, що пропонується та принцип його дії. Газоманіпуляційний затвор 1, перша зона нагрівання 2, металева тара з порошком вуглецю 3, мулітосилікатна камера 4, піч 5, графітова вставка з каталізатором 6, друга рухома зона нагріву 7, газоманіпуляційний затвор 8, водяний охолоджувач газу Дімрота 9, лічильник 10, перистальтичний насос 11, лічильник 12, водяний газоохолоджувач Дімрота 13, газобалансний засіб із запірною рідиною 14, крани 15, 16, 17, манометр 18. Продукти взаємодії кисню та вуглецю СО/СО2 та азот, під примусом насоса 11, заповнюють камеру 4, минають газовий затвор 8, охолоджуються у холодильнику 9, спостерігаються у лічильнику 10. При наявності надлишкового тиску, що фіксується манометром 18 попадають у газобалансний засіб 14, повз крани 17, 16, кран 15 закрито. Основна кількість газів перекачується насосом 11, спостерігається у лічильнику 12, минає охолоджувач 13 та газоманіпуляційний затвор 1. Газотранспортна система заповнена. Тиск стабілізується. Рухливою склянкою засобу 14 вирівнюють рівні газозатвірної рідини. За 10 хвилин пристрій готовий до осадження ВНМ. Рухливу зону нагріву 7 переміщують у місце знаходження графітової вставки з каталізатором 6. Зменшення показань манометра 18, перехід певного об'єму газозатвірної рідини з рухомої склянки у нерухому свідчить про те, що процес вирощування BНM почався. Стабілізація температур, газового потоку та внутрішнього тиску свідчить про однорідність об'ємних співвідношень вуглецевих форм за умов, що вибрані. Завершення роботи. Зону нагріву 7 переводять у вихідне положення, осадження ВНМ припиняється, зону 2 за Будуаром виводять у режим детоксикації СО у CO2, (10 хвилин, коли зона 2 у режимі) відкривають кран 15, насос 11 зупиняють, рівень рідини у засобі 14 вирівнюють, затвор 8 відкривають, графітову вкладку з каталізатором та ВНМ вилучають, вставляють іншу, в довільних вищезгаданих параметрах, часі, каталізаторах та ін. Приклади здійснення винаходу (у пристрої об'ємом 500мл.) (Температури осадження вуглецю відомі за співвідношенням СО/СО2 Будуара). Після виділення каталізатора, зразки складали виключно ВНМ. Одержані результати наведені у таблиці. Таблиця Якісно-кількісні характеристики одержаних ВНМ Співвідношення вуглецевих наноформ, %* ВГНМ ВВНМ ВБНТ ВОНТ 1 мін. 0,6240 80,0 18,0 2,0 сліди 2 середня 0,3910 11,0 38,0 34,0 17,0 3 макс. 0,0248 0,3 5,1 35,0 59,6 *ВГНМ - вуглецеві глобулярні наноструктурні матеріали; ВВНМ - вуглецеві волокнисті наноструктурні матеріали; ВБНТ - вуглецеві багатостінні нанотрубки; ВОНТ - вуглецеві одностінні нанотрубки. Приклад Темпера тура Вихід, г