Пристрій для одержання вуглецевих нанотрубок методом спалювання вуглеводнів

Винахід стосується фізичної хімії матеріалів, зокрема пристроїв для одержання фулеренів і нанотрубок. Фулерени і нанотрубки, як нові об'єкти дослідження учених всього світу, мають перспективу для застосування у багатьох галузях промисловості. Особливо це стосується нанотрубок, які завдяки своїм характеристикам можуть стати провідним матеріалом електронної техніки нових поколінь. Широкому впровадженню фулеренів та нанотрубок досі заважає висока ціна наноструктурних матеріалів та недостатня продуктивність відомих пристроїв для їх виробництва. Одним із простих і дешевих способів одержання фулеренів і нанотрубок є їх синтез у полум'ях. Відомий пристрій для одержання сажі, що включає пальник, сітчастий екран із латунної сітки та пробовідбірник у вигляді нерухомого металевого диску, розташованого над пальником [П.А. Теснер, Образование углерода из угле водородов газовой фазы, «Химия», М., 1972, с.22]. Недоліком цього пристрою є низький коефіцієнт корисної дії пристрою, а також малий вміст нанотрубок у продуктах згоряння. Відомий пристрій для одержання вуглецевих наноструктурних матеріалів спалюванням вуглеводнів, що включає камеру згоряння, канали вводу палива та окислювача і пальник, взятий за основу у методах одержання фулеренових наноструктур [Howard J.B., McKinnon J.T., Combustion method for producing fullerenes, US Patent 5273729, С01В031/00, December 28, 1993; Howard J.B., Vander Sande J.B., Ghowdhury K.D., Production of fullerenic nanostructures in flames, US Patent 5985232, D01F007/12, C01B031/02, November 16, 1999]. Останній варіант цього пристрою, який включає ті ж самі елементи в тих же відношеннях [Vander Sande J.B., Howard J.B., Chowdhury K.D., Production of fullerenic soot in flames, US Patent 6162411, С01В31/02, December 19, 2000] взято за прототип винаходу, що пропонується. Недоліками цих пристроїв є періодичність операції збирання продуктів згоряння і зв'язаний з цим низький коефіцієнт корисної дії пристрою, а також малий вміст нанотрубок у продуктах згоряння. Метою винаходу є підвищення коефіцієнту корисної дії пристрою, а також збільшення вмісту нанотрубок у продуктах згоряння. Підвищення коефіцієнту корисної дії пристрою досягнуто за рахунок того, що пробовідбірники періодичної дії, які являються елементами пристроїв аналогів та прототипу, замінено на пробовідбірник неперервної дії, що конструктивно виявлено в тому, що в пристрої для одержання наноструктурних матеріалів, що включає камеру згоряння, канали для вводу палива та окислювача, пальник і пробовідбірник, останній виконано у вигляді рухомої стрічки, яку протягають безпосередньо біля отвору камери згоряння у площині, перпендикулярній до її осі, за допомогою стрічко-протяжного механізму, розміщеного за межами камери згоряння. Збільшення вмісту нанотрубок у продуктах згоряння досягнуто за рахунок поліпшення умов синтезу нанотрубок на постійно поновлюваній поверхні рухомої стрічки, а також за рахунок каталітичної ініціації утворення нанотрубок матеріалом стрічки. Поліпшення умов синтезу нанотрубок відбувається за рахунок того, що рухома стрічка забезпечує постійну подачу чистої поверхні для осадження вуглецевих кластерів і вирощування нанотрубок. Дослідним шляхом визначають необхідну швидкість протягання стрічки для протікання процесу синтезу нанотрубок в оптимальному режимі. Швидкість протягання стрічки в значній мірі залежить від каталітичних властивостей матеріалу стрічки. Через це у якості каталітичне активного матеріалу стрічки виступають здебільшого такі метали як нікель, кобальт, залізо, мідь, молібден та їх сплави, а також металоаморфні матеріали на їх основі. Вибираючи відповідні матеріали та виміри стрічки, можна виробляти готові елементи електронних схем та приладів. На кресленні показано принципіальну схему пристрою, що пропонується. Пристрій складається з камери згоряння 3 із каналами 1 та пальником 2. Біля відкритого отвору камери згоряння 3 установлено пробовідбірник у вигляді рухомої стрічки 5, яку протягають безпосередньо біля отвору камери згоряння 3 у площині, перпендикулярній до її осі, за допомогою стрічко-протяжного механізму 4, розміщеного за межами камери згоряння 3. Пальне-вуглеводень і окислювач-кисень подають по каналам 1 до пальника 2, де цю суміш підпалюють. У полум'ї утворюються вуглецеві кластери - наноструктурні складові елементи фулеренів і нанотрубок, які разом із гарячим газом залишають камеру згоряння 3 через отвір, де вони осаджуються на поверхні стрічки 5, що протягують у перпендикулярній до камери згоряння 3 площині. Приклади здійснення винаходу. 1. Суміш ацетилену та кисню спалювали у камері згоряння діаметром 36мм. На відстані 1см від площини отвору камери згоряння розміщували послідовно по 30 хвилин пробовідбірники у вигляді нерухомого сталевого диску і сталевої стрічки, що протягують у перпендикулярній до камери згоряння площині. Перший пробовідбірник регулярно віднімали від отвору камери згоряння і обчищали від продуктів згоряння. Із стрічки, що протягували, продукти згоряння обчищали неперервно протягом усі х 30 хвилин. Зібрані продукти згоряння у вигляді сажі піддавали екстракції та розділенню. Вміст фулеренів та нанотрубок контролювали методами хроматографії і електронної мікроскопії. Кількості одержаних наноструктурних матеріалів складали відповідно 15мг і 24мг. Зростання коефіцієнту корисної дії пристрою очевидне. При цьому вміст нанотрубок у одержаних наноструктурних матеріалах складав, відповідно, 1,1 та 1,8%. 2. Суміш ацетилену та кисню спалювали у камері згоряння діаметром 36мм. На відстані 1см від площини отвору камери згоряння розміщували послідовно по 30 хвилин пробовідбірники у вигляді стрічки, що протягують у перпендикулярній до камери згоряння площині; при цьому у першому досліді матеріалом стрічки був полікристалічний нікель, а в другому - металоаморфний сплав Fe-Ni-Co-Si-B. Екстракцію, розділення та сертифікацію одержаних наноструктурних матеріалів проводили так же, як і в попередніх дослідах. Вміст нанотрубок, одержаних на нікелевій стрічці, складав 1,9% від загальної кількості наноструктур, а нанотрубок, одержаних на металоаморфній стрічці, 2,7%.