Особливості електродугового синтезу вуглецевих наноструктур, їх термостійкість та воднеємність - Автореферат

Багаточисельні можливості застосування вуглецевих наноматеріалів (ВНМ) у різних областях електроніки, електрохімії, біології, медицини та інших сферах визначають зростаючу увагу до них дослідників. При цьому метод дозволяє легко змінити режими синтезу, використовувати різне газове середовище і, головне, досягати високого виходу ВНМ з різної структури та морфології. В той же час, не дивлячись на велику кількість робіт по синтезу ВНМ електродуговим методом, маловивченими залишаються питання впливу умов та режимів синтезу, хімічного складу конструкційних матеріалів, з яких виготовляють технологічне обладнання, на структуру та морфологію ВНМ, що утворюється, а також питання атестації хімічного, фазового та структурного складу катодного продукту і продукту, що отримується у вигляді конденсату на стінках реактора. Мало робіт присвячено вивченню особливостей процесів утворення вуглецевих наноструктур в умовах електродугового синтезу, встановленню звязку водневосорбційних властивостей, термічної стабільності ВНМ з їхнім складом, структурою та морфологією. Метою роботи є синтез та вивчення залежності морфології, структури та фізико-хімічних властивостей ВНМ, що формуються, від умов дугового синтезу, а також вивчення їх воденьсорбційних властивостей.При цьому графенові листи, що мають високу поверхневу енергію відкритих сторін та незкомпенсовані звязки на краях, згортаючись у ВНТ, утворюють серцевину депозиту (як елементи конструкції, що мають малий електричний опір), а пакети графенових листів (що мають більше співвідношення маса - заряд), які містять більше одного листа, утворюють оболонку депозиту. В момент формування в дузі та на поверхні катоду пучки ВНТ мають високу температуру, що призводить до формування серцевини депозиту із чистого вуглецю, оскільки при таких температурах сублімуються всі метали та сполуки. Встановлено, що додавання в анод металічного каталізатора призводить до його взаємодії з вуглецем із утворенням в газовій фазі відповідних карбідів. При розгляді наноструктур, що утворюються в газовій фазі 1) було розглянуто фуллереноподібну складову та спосіб її ідентифікації у розчинах методом спектрофотометричного аналізу; 2) було проведено дослідження особливостей формування нерозчинних вуглецевих наноструктур та їх композитів в газовій фазі та на стінках реактора. 11, при дуговому випаровуванні графіту частина вуглецевої пари, яка складається з нейтральних часток плазмового потоку, в даних експериментальних умовах, рухається під впливом обох градієнтів (DT и DP) від центра стовпа дуги до периферії по радіусу дуги та виривається з області дуги (міжелектродного простору) зі швидкістю більше 20-25 м/с, досягаючи стіни реактора за 0,003 секунди, охолоджується до кімнатної температури.Запропоновано модель розпилення та випаровування графітового аноду, а також утворення ВНС на катоді і в газовій фазі при дуговому розряді між графітовими електродами в інертному середовищі. Розроблена нова конструкція експериментального реактора, що дозволяє отримувати продукти дугового випаровування графіту одночасно на поверхні підкладок із 9 різних металів в однакових термодинамічних умовах одного експерименту, що вигідно відрізняє її від аналогів. Показано ключовий вплив хімічного складу металу стінки реактора на морфологію і структуру продуктів дугового синтезу та вперше отримано пористі ВНТ, що є яскравим прикладом можливостей нового методу по синтезу ВНС. Помічено, що наявність металів (що утворюють стінку реактора) в складі вуглецевих наноструктур є фактором, що вказує на газофазний характер реакцій взаємодії між вуглецем і металами. Показано, що: серцевина депозиту складається з ВНТ діаметром від 5 до 25 нм; кора депозиту формується із графенових листів, які переміщуються з анода на катод під дією електромагнітного поля; при сумісному випаровуванні графіту і каталізатора, депозит формується аналогічно, як і при його відсутності, каталізатори визначають фазовий склад оболонок депозитів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Запропоновано модель розпилення та випаровування графітового аноду, а також утворення ВНС на катоді і в газовій фазі при дуговому розряді між графітовими електродами в інертному середовищі.

Розроблено метод дослідження особливостей впливу природи матеріалу на наноструктуру продукту, утвореного при дуговому випаровуванні графіту.

Розроблена нова конструкція експериментального реактора, що дозволяє отримувати продукти дугового випаровування графіту одночасно на поверхні підкладок із 9 різних металів в однакових термодинамічних умовах одного експерименту, що вигідно відрізняє її від аналогів. Вперше було отримано вуглецеві наноструктури на підкладках із Ti, Fe, Cu, Al, W, Манганіну, Ni, Mo. Показано ключовий вплив хімічного складу металу стінки реактора на морфологію і структуру продуктів дугового синтезу та вперше отримано пористі ВНТ, що є яскравим прикладом можливостей нового методу по синтезу ВНС. Помічено, що наявність металів (що утворюють стінку реактора) в складі вуглецевих наноструктур є фактором, що вказує на газофазний характер реакцій взаємодії між вуглецем і металами. Встановлено, що незначна кількість металу в системі може виступати як в ролі каталізатора, так і інгібітора утворення тієї чи іншої структури, причому показано що метали Ni, Fe та манганін є каталізаторами процесів деструкції фуллеренових молекул.

Вивчено наноструктури, що утворюються на катоді. Показано, що: серцевина депозиту складається з ВНТ діаметром від 5 до 25 нм; кора депозиту формується із графенових листів, які переміщуються з анода на катод під дією електромагнітного поля; при сумісному випаровуванні графіту і каталізатора, депозит формується аналогічно, як і при його відсутності, каталізатори визначають фазовий склад оболонок депозитів.

Показано можливість застосування традиційної термогравіметрії та модернізованого методу термофракційного окиснення для ідентифікації різних наноформ вуглецю.

Досліджено воднесорбційні властивості та визначено воднеємності фулереноподібних і графітоподібних продуктів дугового синтезу: для нерозчинних ВНМ: кількість фізично сорбованого водню практично лінійно залежить від питомої площі поверхні вуглецевого матеріалу як за низької, так і за кімнатної температури; найбільшу кількість сорбованого водню при ППП до 783 м2/г складає: а) менше 1 мас. %, за кімнатної температури і тиску водню до 12,8 МПА; б) 2,3 мас. % водню при зниженні температури до -195,85 ОС та тиску водню до 12,8 МПА;

воднеємність розчинних ВНС складає: для фуллерита більше 5 мас. % Н; тривале гідрування (при Р= 12,0 МПА і Т= 450ОС) дало сильно відновлені форми та призвело до деструкції решітки фуллериту.

1. Zaginaichenko S.Yu. The prospects for using of carbon nanomaterials as hydrogen storage systems / Zaginaichenko S.Yu., Veziroglu T.N., Anikina N.S., Pomytkin A.P., Zolotarenko A.D. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2002. - Vol.27. - Р. 1063 - 1069.

Особистий внесок дисертанта полягав у вивченні літератури, проведенні синтезу вуглецевих наноструктур, вивченні воднеємності ВНМ шляхом насичення їх воднем на установці типу Сіверса, підготовці статті до друку.

2. Золотаренко А.Д. Особенности дугового синтеза некоторых форм углеродных наноструктур / Золотаренко А.Д., Щур Д.В., Савенко А.Ф., Адеев В.М., Каверина С.Н., Фирстов С.А., Загинайченко С.Ю., Скороход В.В. // Журнал «Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології». - 2005. - т.3, №1. - С. 197 - 203.

Особистий внесок дисертанта полягав у вивченні літератури, проведенні синтезу вуглецевих наноструктур, вдосконаленні методу, шляхом розробки вставки циліндричної форми в реактор, яка дозволяє одночасно синтезувати ВНМ на підкладках різних металів.

3. Золотаренко А.Д. Синтез эндофуллеренов дуговым методом. Депозит / Золотаренко А.Д., Адеев В.М., Фирстов С.А., Щур Д.В., Загинайченко С.Ю., Головко Э.И. // Журнал «Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології». - 2005. - т.3, №4. - С.1133 - 1144.

Особистий внесок дисертанта полягав у вивченні літератури, проведенні синтезу фуллеренів дуговим методом, шляхом випаровування графітового електроду, були розглянуті структури, що утворюються на катоді.

4. Аникина Н.С. UV/Vis Спектрофотометрическое исследование эндометаллофуллеренов в органических растворителях / Аникина Н.С., Золотаренко А.Д., Кривущенко О.Я., Щур Д.В., Загинайченко С.Ю. // Журнал «Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології».-2005. - т.3, №1. - С. 99 - 106.

Особистий внесок дисертанта полягав у проведенні синтезу ВНМ, вивченні їх розчинів за допомогою спектрофотометричного методу, аналізі отриманих результатів, проведенні компютерної обробки результатів та підготовці статті до друку.

5. Schur D.V. Production of carbon nanostructures by arc synthesis in the liquid phase / Schur D.V., Dubovoj A.G., Zaginaichenko S.Yu., Adejev V.M., Kotko A.V., Bogolepov V.A., Savenko A.F., Zolotarenko A.D. // Int. J. Carbon. - 2007 - Vol. 45/6. - Р. 1322 - 1329.

Особистий внесок дисертанта полягав у вивченні літератури, синтезі вуглецевих наноматеріалів, а також вивченні процесів, які протікають на катоді, розробці моделі утворення депозиту та формування в його серцевині нанотрубок.

6. Щур Д.В. Углеродные наноматериалы и фазовые превращения в них. / Щур Д.В., Матысина З.А., Загинайченко С.Ю., Золотаренко А.Д. Главы в монографии // Углеродные наноматериалы и фазовые превращения в них.- Монография. Днепропетровск: Наука и образование, 2007. ГЛАВАVII Дуговой синтез в газовой фазе; ГЛАВАXV Особенности и закономерности молекулярного взаимодействия фуллеренов с ароматическими растворителями. Спектрофотометрический анализ растворов фуллеренов.- Раздел 7.1.-Глава XV.-Глава XX. - С.237 - 299, 583 - 614, 663 - 678.

Особистий внесок дисертанта полягав у проведенні синтезу нерозчинних та розчинних вуглецевих наноматеріалів, вдосконаленні методу синтезу наноматерілів, синтез матеріалів на різних підкладках, вивчені розчинних в вуглеводнях наноматеріалів за допомогою спектрофотометричного методу, аналіз отриманих результатів, проведенню компютерної обробки результатів та підготовці статті до друку.