Пристрій для одержання вуглецевих наноструктурних матеріалів у сонячній печі

Винахід стосується фізичної хімії матеріалів, зокрема пристроїв для одержання фулеренів і нанотрубок. Фулеренові наноструктурні матеріали мають певну перспективу для застосування у багатьох галузях промисловості, але їх широкому впровадженню досі заважає їхня висока ціна та недостатня продуктивність відомих пристроїв для їх виробництва. Використання відновлювальної сонячної енергії для одержання фулеренів і нанотрубок спрощує процес і зменшує ціну кінцевої продукції. Відомий пристрій для одержання вуглецевих наноструктурних матеріалів у сонячній печі, що включає параболічне дзеркало, скляний ковпак і мішень у вигляді графітового стержня [R.E.Smalley, Solar process for making fullerenes with increased yields. Pat. 95-00440 WO, С01В31/02, 05.01.1995]. Пробовідбірника тут взагалі немає і вулецева пара конденсується на внутрішній поверхні скляного ковпака. Недоліком цього пристрою є мала ефективність технологічного процесу, яка обмежена через ту обставину, що для збирання фулеренвміщуючого конденсату треба зупинять процес і розбирати пристрій. За аналог взято відомий пристрій для одержання вуглецевих наноструктурних матеріалів у сонячній печі, що включає параболічне дзеркало, камеру із нержавіючої сталі з водяним охолодженням, напівсферичне вікно із кварцового скла і мішень у вигляді графітового стержня [Guillard Т., Laplaze D., Flamant G., Robert J.F., Rivoire В., Olaide G., A large scale fullerenes solar reactor modelling and first experimental results. Book of abstracts of 9 th Int. Symposium "Solar thermal concentrating technologies", June 22-26, 1998, Font-Romeu -Odeillo, France, p.21-23]. Функції пробовідбірника виконує внутрішня поверхня стальної камери. Недоліками цього пристрою є мала ефективність технологічного процесу, як і в попередньому пристрої, та обмежені технологічні можливості роботи пробовідбірника. Метою винаходу є збільшення ефективності технологічного процесу та підвищення технологічних можливостей роботи пробовідбірника. Збільшення ефективності технологічного процесу досягнуто за рахунок того, що в пристрої для одержання вуглецевих наноструктурних матеріалів у сонячній печі, що включає параболічне дзеркало, камеру із нержавіючої сталі з водяним охолодженням, напівсферичне вікно із кварцового скла, мішень у вигляді графітового стержня, розміщено всередині камери пробовідбірник у вигляді циліндру, який контактує своєю зовнішньою поверхнею із камерою і має здатність переміщуватися вздовж неї аж до повного витягання. Це дозволило утилізувати продукти процесу - конденсати з наноструктурних матеріалів, що осідають на внутрішній поверхні пробовідбірника, не зупиняючи процес і не розбираючи весь пристрій. У будь-який момент циліндр-пробовідбірник можна витягти і замінити подібним. Крім цього, регулярне очищення робочої поверхні пробовідбірника сприяє поліпшенню процесу утворення наноструктурних матеріалів, тому що перші шари вуглецевих наноструктур, конденсуючись на охолодженій поверхні циліндру, утворюють теплозахисний прошарок з низькою теплопровідністю, чим знижують швидкість і якість утворення наступних шарів наноструктурних матеріалів. На кресленні показано принципову схему пристрою, що пропонується. На параболічному дзеркалі 2 розміщено камеру 3 із нержавіючої сталі з водяним охолодженням, напівсферичне вікно 1 із кварцового скла, мішень 4 у вигляді графітового стержня і розміщений всередині камери пробовідбірник у вигляді циліндру 5, який контактує зовнішньою поверхнею із камерою і має здатність переміщуватися вздовж неї аж до повного витягання. Ззовні камери в ізольований напівсферичним склом 1 простір нагнітається потік інертного газу (на кресленні не показано), що витікає назовні через центральний отвір камери 3. Вуглецеві кластери, що випаровуються при нагріванні концентрованою сонячною енергією торця мішені 4, захоплюються потоком інертного газу, летять із ним через пробовідбірник-циліндр 5, що охолоджується завдяки контакту із внутрішньою поверхнею камери 3, і осідають там. Після осаджування певної кількості конденсатів на внутрішній поверхні циліндру 5 останній виймають назовні і замість нього вставляють йому подібний. Таким чином забезпечується практично неперервний процес утилізації утворених наноструктурних матеріалів і підвищується ефективність роботи пристрою. Підвищення технологічних можливостей роботи пробовідбірника досягнуто завдяки можливості маніпулювати матеріалом його робочої поверхні. Характер утворення наноструктурних матеріалів, зокрема нанотрубок, на поверхні пробовідбірника в значній мірі залежить від природи матеріалу його поверхні. Для того, щоб варіювати умовами структуроутворення, циліндр пробовідбірника виконують із кераміки, його внутрішню поверхню покривають пластинами металу, кераміки або кварцу; внутрішню поверхню циліндру напилюють металом або керамікою, при цьому для одночасної реалізації різних умов структуроутворення циліндр складають із кількох подовжніх секторів, які виконують із різних матеріалів: металу, кераміки, графіту або кварцу. Приклади здійснення винаходу. 1 .У сонячній печі, що включає параболічне дзеркало, камеру із нержавіючої сталі з водяним охолодженням, напівсферичне вікно із кварцового скла, і мішень у вигляді графітового стержня одержували вуглецеві наноструктурні матеріали протягом 6-годинного робочого дня. За цей час пристрій розбирали-збирали тричі для утилізації конденсатів, що осідали на внутрішній поверхні камери. Було зібрано 412мг наноструктурних матеріалів. На другий день за аналогічних погодних умов пристрій був обладнаний пробовідбірником у вигляді циліндру, розміщеного всередині камери, який контактував своєю зовнішньою поверхнею із камерою і мав здатність переміщуватися вздовж неї аж до повного витягання. Протягом робочого дня пробовідбірник замінювали 12 разів, не розбираючи пристрій. При цьому вага зібраних наноматеріалів становила 603мг - тобто, майже в 1,5 рази більше, ніж раніше. 2. У сонячній печі, що включає параболічне дзеркало, камеру із нержавіючої сталі з водяним охолодженням, напівсферичне вікно із кварцового скла, мішень у вигляді графітово го стержня всередині камери розмістили пробовідбірник у вигляді суцільного циліндру із нержавіючої сталі, який контактував зовнішньою поверхнею із камерою і мав здатність переміщуватися вздовж неї аж до повного витягання із неї. Протягом тридцятихвилинного досліду із загальної кількості наноматеріалів - 47мг вміст фулеренів складав 5%, а нанотрубок - 1%. Наступниий дослід був проведений із пробовідбірником у вигляді циліндру, який складався із трьох подовжніх секторів, виконаних із різних матеріалів: нержавіючої сталі, нікелю і графіту. Із загальної кількості наноматеріалів - 51мг вміст фулеренів складав 5%, а нанотрубок - 2%.