Способ получения углеродного наноматериала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Солнцев Александр Петрович Крауклис Андрей Владимирович Буяков Игорь Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения углеродного наноматериала, включающий обработку смеси метанвоздух в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления, отличающийся тем,что обработку проводят при объемном соотношении метанвоздух, равном 1(2,4-2,5),при этом в зоне образования углеродного наноматериала температура составляет 800850 С. 10010 1 2007.12.30 Изобретение относится к области химии углеродных материалов, в частности к получению углеродных наноматериалов, содержащих многостенные углеродные нанотрубки,углеродные нановолокна и частицы нанографита, и может быть использовано для создания полимерных нанокомпозитов, используемых в машиностроении, приборостроении,химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Известен способ получения углеродных наноматериалов в дуговом разряде 1, в котором происходит испарение графитового электрода с последующим охлаждением паров углерода в токе инертного газа. Известен способ получения углеродных наноматериалов при лазерной абляции углерода 2, заключающийся в том, что графитовую мишень помещают в печь, нагретую до 1000-1200 С, и затем испаряют с помощью лазерного излучения с последующей дисублимацией паров углерода. Известен способ получения углеродных наноматериалов, включающий процесс химического осаждения в газовой фазе 3, заключающийся в разложении газообразных углеводородов на частицах металлического катализатора с дальнейшим ростом каркасных углеродных структур. Разновидность этого процесса - химическое осаждение в газовой фазе оксида углерода при высоком давлении 4, заключающееся в том, что образование углеродных наноматериалов происходит на частицах металлического катализатора из оксида углерода при высоком давлении. Однако указанные выше способы имеют следующие недостатки низкий выход целевого материала (не превышает 0,5 г/ч) высокое содержание в получаемых наноматериалах нейтрального (аморфного) углерода (до 90 ). Наиболее близким к заявляемому способу (прототип) является способ получения углеродного наноматериала в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления 5,включающий обработку смеси при объемном соотношении водородазотоксид углерода, равном 404020, либо обработку смеси при объемном соотношении метанвоздух,равном 12,35. По этому способу при обработке смеси при объемном соотношении водородазотоксид углерода, равном 404020, производительность установки высоковольтного разряда атмосферного давления достигает 1,5 г углеродного наноматериала в час, а при использовании смеси при объемном соотношении метанвоздух, равном 12,35, достигает 4 г углеродного наноматериала в час. Однако при использовании смеси при объемном соотношении метанвоздух, равном 12,35, получаемый углеродный наноматериал содержит до 45 аморфного углерода. Недостатком его является достаточно высокое содержание аморфного углерода и невысокая производительность. Задачей изобретения является повышение эффективности процесса получения углеродного наноматериала за счет повышения выхода углеродного наноматериала и снижения содержания аморфного углерода. Задача решается следующим образом. Известный способ получения углеродного наноматериала включает обработку смеси метан-воздух в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления. Согласно предлагаемому изобретению, обработку проводят при объемном соотношении метанвоздух, равном 1(2,4-2,5), при этом в зоне образования углеродного наноматериала температура составляет 800-850 С. При таком составе рабочей газовой смеси в плазме достигаются более высокие температуры, и в зоне образования углеродного наноматериала (депозита) они составляют 700850 С. В случае более богатой смеси (объемное соотношение метанвоздух равно 1(2,1-2,35 температура в зоне образования депозита заметно ниже (600-750 С), что приводит к повышению содержания аморфного углерода, а в случае более бедной смеси 2(объемное соотношение метанвоздух равно 1(2,56-2,7 снижается выход углеродного наноматериала. На фиг. 1 изображена установка, содержащая плазмохимический реактор высоковольтного разряда атмосферного давления, в которой реализуется данный способ. На фиг. 2 показаны электронные микрофотографии очищенного углеродного наноматериала. Установка содержит плазмохимический реактор 1, предназначенный для обработки рабочей газовой смеси плазмой, образованной в зоне высоковольтного разряда 8, расположенной между катодом 7, нижняя часть которого размещена в верхней части реактора,и заземленным анодом 9, размещенным в средней части. Верхняя часть катода 7 соединена с источником электропитания 5, предназначенным для зажигания и дальнейшего горения разряда. Подача газовой смеси в реактор осуществляется через систему газоснабжения 4, которая регулирует и измеряет расход смеси, соединенную с реактором в месте заземления анода 9. Зона образования углеродного наноматериала 10, в которую после обработки разрядом поступает синтезируемый углеродный наноматериал вместе с потоком газовой смеси, образована в нижней части реактора. В холодильник 2, соединенный с одной стороны с нижней частью реактора, поступает отработанный газовый поток для охлаждения и далее выбрасывается в атмосферу через конденсатосборник 3, соединенный с холодильником 2 с другой стороны. Состав выхлопного газа контролируется хроматографом 6, расположенным на выходе из конденсатосборника 3. Осуществление способа можно проиллюстрировать следующими примерами. Пример 1. В плазмохимический реактор высоковольтного разряда атмосферного давления подают газовую смесь следующего состава 100 Нл/ч метана и 210 Нл/ч воздуха. При этом соотношение метанвоздух составляет 12,1. Ток разряда равен 120 мА, напряжение 2,8 кВ. Температуру в зоне образования углеродного наноматериала поддерживают 620 С. Длительность процесса в указанных условиях составляет 2 ч. Результаты приведены в таблице. Пример 2. В плазмохимический реактор высоковольтного разряда атмосферного давления подают газовую смесь следующего состава 100 Нл/ч метана и 235 Нл/ч воздуха. При этом соотношение метанвоздух составляет 12,35. Ток разряда равен 120 мА, напряжение 2,8 кВ. Температуру в зоне образования углеродного наноматериала поддерживают 740 С. Длительность процесса в указанных условиях составляет 2 ч. Результаты приведены в таблице. Пример 3. В плазмохимический реактор высоковольтного разряда атмосферного давления подают газовую смесь следующего состава 100 Нл/ч метана и 240 Нл/ч воздуха. При этом соотношение метанвоздух составляет 12,40. Ток разряда равен 120 мА, напряжение 2,8 кВ. Температуру в зоне образования углеродного наноматериала поддерживают 820 С. Длительность процесса в указанных условиях составляет 2 ч. Результаты приведены в таблице. Пример 4. В плазмохимический реактор высоковольтного разряда атмосферного давления подают газовую смесь следующего состава 100 Нл/ч метана и 250 Нл/ч воздуха. При этом соотношение метанвоздух составляет 12,5. Ток разряда равен 120 мА, напряжение 2,8 кВ. Температуру в зоне образования углеродного наноматериала поддерживают 850 С. Длительность процесса в указанных условиях составляет 2 ч. Результаты приведены в таблице. 3 10010 1 2007.12.30 Пример 5. В плазмохимический реактор высоковольтного разряда атмосферного давления подают газовую смесь следующего состава 100 Нл/ч метана и 256 Нл/ч воздуха. При этом соотношение метанвоздух составляет 12,56. Ток разряда равен 120 мА, напряжение 2,8 кВ. Температуру в зоне образования углеродного наноматериала поддерживают 900 С. Длительность процесса в указанных условиях составляет 2 ч. Результаты приведены в таблице. Выход углеродного наноматериала и содержание аморфного углерода Пример 1 3 4 5 2 (прототип) Общий выход углеродного наноматериала 5,1 10 11 7 8,5 Производительность плазмохимического реактора высоковольтного разряда атмосферного давления при оптимальном составе газовой смеси составляет 5,0-5,5 г/ч. Получаемый углеродный материал содержит 20-30 многостенных углеродных нанотрубок,20-40 углеродных нановолокон и 2-5 графитовых наночастиц (по данным электронной просвечивающей микроскопии). После химической очистки углеродный наноматериал содержит не более 1,3 металла (в основном включенного в наночастицы) и не более 5 аморфного углерода, что позволяет использовать его в целом ряде практических применений, включая получение полимерных нанокомпозитов. Таким образом, способ получения углеродного наноматериала в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления при оптимальном составе газовой смеси метанвоздух составляет 12,4-2,5 с последующей химической обработкой позволил повысить выход углеродного наноматериала и снизить содержание аморфного углерода. Источники информации 1. , 358, 1992. - . 220-222. 2.,.,.,, 72, 2001. - . 5. 3. , , , , , , , , ,.. - . 67. -17. - 1995. 4.,.,. ,,Т.,... - 1999. - . 313. - . 1-2. 5..,., , 27-29 ,2002. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5