Електророзрядний спосіб синтезу вуглецевих наноматеріалів

Реферат: Винахід належить до способу для перетворення вуглецевмісної сировини у технічний вуглець (вуглецевмісну сажу) або інші вуглецеві матеріали, зокрема, що мають задану наноструктуру нановуглецевих матеріалів Спосіб включає подачу газової вуглеводневої сировини до реакційної камери і обробку її плазмою, яку утворюють за допомогою електричного імпульсноперіодичного іскрового розряду, що генерують у міжелектродному проміжку шляхом з'єднання електродів з високовольтним джерелом імпульсного струму. Здійснюють спосіб за відсутності кисню або в присутності невеликої кількості кисню. Як газову сировину використовують вуглеводневу сировину з високою позитивною ентальпією, а її обробку здійснюють одним іскровим розрядом з енергією від 0,1 до 100 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час від 1,0 до 100 мкс. Технічний результат: підвищення продуктивності отримання наноматеріалів. UA 101891 C2 (12) UA 101891 C2 UA 101891 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способу для перетворення вуглецевмісної сировини у технічний вуглець (вуглецевмісну сажу) або інші вуглецеві матеріали, зокрема, що мають задану наноструктуру - нановуглецевих матеріалів (НВМ). Розробка ефективних способів отримання нановуглецевих матеріалів заданої структури є актуальною проблемою, розв'язання якої дозволить забезпечити цінною нановуглецевою сировиною різні галузі промислового комплексу в потрібних обсягах. Відомо спосіб одержання фулеренів (Пат. на винахід 45181 Україна. МПК(2006) С01В 31/02(2006.01), С01В 31/00(2006.01). Спосіб одержання фулеренів), що включає випаровування графіту та утворення високотемпературної вуглецевої плазми при поданні напруги на електроди, встановлені на відстані один від одного, охолодження фулеренів, одержання розчину, що містить фулерени в неполярному розчиннику, розподіл фулеренів на кластери одного виду методами рідинної хроматографії, причому електроди розміщують у неполярному розчиннику, у міжелектродний проміжок подають графітові стрижні, замикаючи електроди, а випаровування графіту, утворення високотемпературної плазми й одержання розчину, що містить фулерени, здійснюють, подаючи на електроди імпульси високої напруги величиною 1020 кВ при запасі в одному імпульсі енергії 200-600 Дж. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками способу, який заявляється, є такі: здійснюють обробку вуглецеввмісної сировини (випаровування графіту) плазмою, що утворюють у міжелектродному проміжку (при поданні напруги на електроди, встановлені на відстані один від одного), утворення плазми здійснюють за допомогою високовольтного джерела струму (подаючи на електроди імпульси високої напруги величиною від 10 до 20 кВ). Причиною, що перешкоджає отриманню очікуваного технічного результату способу, є те, що в ньому відбувається повільний синтез нановуглецевого матеріалу і він не передбачає дій, направлених на прискорення цього процесу. Крім того, спосіб потребує великих енергозатрат для синтезу одиниці маси НВМ, а сажа, яка отримана при здійсненні способу, має багатокомпонентний склад, що потребує її подальшого очищення і збагачення корисного продукту. Найбільш близьким за сукупністю ознак до способу, що заявляється, є спосіб одержання вуглецевих наноматеріалів (Пат. на винахід 95543 Україна. С01В 31/02 (2006.01), Н05Н 1/24(2006.01), Н05Н 1/32 (2006.01) шляхом дії на газову вуглеводневу сировину плазмою, яку генерують за допомогою електричної дуги змінного струму, яку одержують шляхом з'єднання джерела змінного струму з електродами, здійснюють спосіб за відсутності кисню або в присутності невеликої кількості кисню, газову вуглеводневу сировину подають у міжелектродний проміжок, використовують змінний струм частотою до 100 кГц та утворюють імпульсноперіодичну дугу з різними формами імпульсів і одержують нерівноважну плазму. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками способу, який заявляється, є такі: подача газової вуглеводневої сировини до реакційної камери (у міжелектродний проміжок) і обробку її плазмою, яку утворюють за допомогою електричного імпульсно-періодичного іскрового розряду (електричної дуги імпульсно-періодичного змінного струму з різними формами Імпульсів), що генерують у міжелектродному проміжку за допомогою високовольтного джерела імпульсного (шляхом з'єднання електродів з джерелом змінного) струму, здійснюють спосіб за відсутності кисню або в присутності невеликої кількості кисню. Причиною, що перешкоджає отриманню очікуваного технічного результату в зазначеному вище способі, є те, що в ньомувідбувається повільний синтез нановуглецевого матеріалу і він не передбачає дій, направлених на прискорення цього процесу. Крім того, спосіб потребує великих енергозатрат для синтезу одиниці маси НВМ. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу синтезу вуглецевих наноматеріалів шляхом визначення заданого режиму вводу енергії і використання сировини з заданими властивостями, що дозволить отримати швидке розкладання сировини і виділення додаткової енергії, значно більшої ніж введена, та забезпечити термодинамічні характеристики плазми, необхідні для утворення вуглецевих наноматеріалів з усього об'єму сировини за один іскровий розряд, і за рахунок цього суттєво підвищити продуктивність отримання наноматеріалів, значно зменшити енерговитрати (більш ніж у тисячі разів) для синтезу одиниці маси наноматеріалів і зменшити їх собівартість, значно спростити або зовсім усунути складні і трудомісткі операції очищення і збагачення продуктів реакції. Суть винаходу полягає в тому, що в електророзрядному способі синтезу вуглецевих наноматеріалів, що включає подачу газової вуглеводневої сировини до реакційної камери і обробку її плазмою, яку утворюють при здійсненні електричного імпульсно-періодичного іскрового розряду, що генерують у міжелектродному проміжку за допомогою високовольтного джерела імпульсного струму, здійснюють спосіб за відсутності кисню або в присутності 1 UA 101891 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 невеликої кількості кисню, згідно з винаходом, як газову сировину використовують вуглеводневу сировину з високою позитивною ентальпією, а її обробку здійснюють одним іскровим розрядом з енергією від 0,1 до 100 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час від 1,0 до 100 мкс. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак способу, що заявляється І технічним результатом, якого можна досягти, необхідно відзначити наступне. Ознаки "як газову сировину використовують вуглеводневу сировину з високою позитивною ентальпією, а її обробку здійснюють одним іскровим розрядом з енергією від ОД до 100 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час від 1,0 до 100 мкс", дозволяють отримати швидке розкладання сировини і виділення додаткової енергії, значно більшої, ніж введена, і забезпечити термодинамічні характеристики плазми, необхідні для утворення вуглецевих наноматеріалів з усього об'єму сировини за один іскровий розряд. Енергія, що виділяється в міжелектродному проміжку, менша ніж 0,1 Дж є недостатньою для синтезу, а енергія більша 100 Дж, є недоцільною, тому що не впливає на результат синтезу. Час виділення енергії, менший ніж 1 мкс є недостатнім для початку реакції, а за час більший ніж 100 мкс має місце недостатньо швидке розкладання сировини, що не призводить до потрібного технічного результату синтезу. Суть способу пояснюється кресленням, де на фіг.1 представлена функціональна схема для реалізації способу одержання вуглецевих наноматеріалів, а на фіг.2, 3 - мікрофотографії продуктів синтезу вуглецевих наноматеріалів, синтезованих електроразрядним способом із ацетилену для прикладів 1 і 2 відповідно. Функціональна схема (Фіг.1) містить реакційну камеру 1 для електророзрядного синтезу, у якій встановлено електроди 2, канали для підведення сировини 3 і відводу продуктів реакції 4, високовольтне джерело імпульсних струмів 5, ємність 6 для збору твердих продуктів синтезу. Високовольтне джерело імпульсних струмів 5 підключено до електродів 2. Електророзрядний спосіб синтезу вуглецевих наноматеріалів реалізують таким чином. До реакційної камери 1 по каналу для підведення сировини 3 подають газову вуглеводневу сировину з високою позитивною ентальпією, за яку може використовуватись ацетилен, етилен, або суміш цих газів з додаванням невеликої кількості (до 20 %) інших вуглецевовмісних газів, наприклад ряду метану. У склад сировини для синтезу також може входити від 0 до 90 % водню. Спосіб здійснюють при атмосферному тиску за відсутності кисню, присутність невеликої кількості кисню (до 5 %) не призводить до аварійної ситуації. На газову вуглеводневу сировину діють плазмою, яку утворюють за допомогою електричного імпульсно-періодичного іскрового розряду, що генерують у міжелектродному проміжку між електродами 2, при подачі на них напруги від високовольтного джерела імпульсного струму 5. Обробку вуглеводневої сировини здійснюють одним іскровим розрядом з енергією від 0,1 до 100 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час від 1,0 до 100 мкс. Введення у сировину з високою позитивною ентальпією короткого (від одиниць до десятків мікросекунд) імпульсу енергії від 0,1 до 100 Дж призводить до швидкого розкладання сировини і виділення додаткової енергії, значно більшої, ніж введена, та забезпечує термодинамічні характеристики плазми, необхідні для утворення вуглецевих наноматеріалів. Обробка всього об'єму газової вуглеводневої сировини в реакційній камері 1 здійснюється одним іскровим розрядом. Продукти синтезу через великий тиск, що утворюється у результаті реакції, відводяться з реакційної камери 1 по каналу відводу продуктів реакції 4 у ємність 6 для збору твердих продуктів синтезу, де вони затримуються за допомогою фільтра, який не перешкоджає виходу газоподібних продуктів реакції (водню та інших газів). При неперервній подачі сировини реакційна камера 1 знову наповнюється сировиною, в якій з заданою частотою генерують наступні іскрові розряди. Таким чином циклічно повторюють операції способу. Рентгено-дисперсний аналіз і дослідження мікроскладу нановуглецевих матеріалів показали практичну відсутність невуглецевих домішок у продуктах синтезу при малих енергіях розрядних імпульсів, що свідчить про відсутність ерозії електродів і підтверджує, що отримані продукти синтезу не потребують проведення складних і трудомістких операцій очищення і збагачення. Способом, що заявляється, було проведено обробку ацетилену. Приклад 1. Сировина - 98 % С2Н2. Обробку здійснювали у реакційній камері об'ємом 12 л одним іскровим розрядом з енергією 100 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час 40 мкс. Результати аналізу продуктів електророзрядного синтезу вуглецевих наноматеріалІв наведено на фіг.2. Отримані продукти синтезу мають типову фрактальну структуру. Індивідуальні частки зібрано у агломерати, що мають розміри до 100 нм. Вуглецеві наноматеріали мають 2 UA 101891 C2 5 10 графітоподібний тип ближнього порядку з невеликими відхиленнями, що вказує на деформацію графенових сіток. Приклад 2. Сировина - 98 % С2Н2. Обробку здійснювали у реакційній камері об'ємом 6 л одним іскровим розрядом з енергією 0,2 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час 18 мкс. Отримано приблизно 2 г твердих вуглецевих наноматеріалІв. Результати аналізу продуктів електророзрядного синтезу вуглецевих наноматеріалів наведено на фіг.3. Таким чином, електророзрядний спосіб синтезу вуглецевих наноматеріалІв дозволяє отримати швидке розкладання сировини і виділення додаткової енергії, значно більшої ніж введена, і забезпечити термодинамічні характеристики плазми, необхідні для утворення вуглецевих наноматеріалів 3 усього об'єму сировини за один іскровий розряд і за рахунок цього суттєво підвищити продуктивність отримання наноматеріалів, значно зменшити енерговитрати (більш ніж у тисячі разів) для синтезу одиниці маси наноматеріалІв і зменшити їх собівартість, значно спростити або зовсім усунути складні і трудомісткі операції очищення і збагачення продуктів реакції. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Електророзрядний спосіб синтезу вуглецевих наноматеріалів, що включає подачу газової вуглеводневої сировини до реакційної камери і обробку її плазмою, яку утворюють при здійсненні електричного імпульсно-періодичного іскрового розряду, що генерують у міжелектродному проміжку за допомогою високовольтного джерела імпульсного струму, здійснюють спосіб за відсутності кисню або в присутності невеликої кількості кисню, який відрізняється тим, що як газову сировину використовують вуглеводневу сировину з високою позитивною ентальпією, а її обробку здійснюють одним іскровим розрядом з енергією від 0,1 до 100 Дж, що виділяється в міжелектродному проміжку за час від 1,0 до 100 мкс. 3 UA 101891 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4