Влияние термообработки на свойства катализатора синтеза углеродных нанотрубок

Автор: Буракова Е.А., Бесперстова Г.С., Неверова М.А., Ткачев А.Г., Чапаксов Н.А., Рухов А.В.

Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet

Статья в выпуске: 1 (83), 2020 года.

Бесплатный доступ

В данной работе изучено влияние термообработки на текстурные характеристики Со-Мо/Al2O3 катализатора синтеза углеродных нанотрубок (УНТ). Экспериментально доказано, что условия термообработки на стадии получения металлоксидного катализатора оказывают существенное влияние не только на его морфологию, но и на его активность в процессе синтеза УНТ. Выявлено, что реализация термической обработки раствора исходных компонентов в одну стадию (разложение) позволяет получить каталитическую систему с удельной поверхностью Sкат ~ 14?26 м2/г и удельным выходом ? ~ 5,2?9,4 гугл/гкат, а в две стадии (разложение/прокаливание) - Sкат ~ 30?147 м2/г и ? ~ 18,6?30,0 гугл/гкат. При этом наименьшей степенью дефектности (ID/G ~ 0.53?0.72) обладают УНТ, синтезированные на катализаторах, сформированных в результате термического разложения в течение 10 мин при 350 ?С и прокаливания при 500 ?С, диаметр нанотрубок составлял 15?19 нм. Использование в процессе синтеза УНТ металлоксидного катализатора, прошедшего прокаливание при более высоких температурах (700 оС и выше), приводит к увеличению диаметра и степени дефектности формируемых наноструктур. Таким образом, введение дополнительной стадии термообработки - прокаливания в процесс получения Co-Mo/Al2O3 катализатора дает возможность гибкого управления качественными показателями не только формируемых металлоксидных систем, но и синтезируемых на них УНТ.

Еще

Катализатор, термическое разложение, прокаливание, синтез, углеродные нанотрубки

Короткий адрес: https://sciup.org/140248308

IDR: 140248308 | DOI: 10.20914/2310-1202-2020-1-237-246

Список литературы Влияние термообработки на свойства катализатора синтеза углеродных нанотрубок

Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. М.: Университетская книга, Логос, 2006. 376 с.
Esawi A.M.K., Morsi K., Sayed A. et al. The influence of carbon nanotube (CNT) morphology and diameter on the processing and properties of CNT-reinforced aluminium composites // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2011. V. 42. № 3. P. 234-243. DOI: 10.1016/j.compositesa.2010.11.008
Zare Y., Rhee K.Y. The effective conductivity of polymer carbon nanotubes (CNT) nanocomposites // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2019. V. 131. P. 15-21. DOI: 10.1016/j.jpcs.2019.03.006
Kulmeteva V.B., Maltsev I.A. Effect of specification catalytic pyrolysis of ethanol vapor on characteristic of carbon nanotubes // Digital scientific journal. 2014. V. 6. URL: http://www.science-education.ru/pdf/2014/6/739.pdf
Motaraghe S., Kini J.M., Schulz S.E., Hermann S. Effects of catalyst configurations and process conditions on the formation of catalyst nanoparticles and growth of single-walled carbon nanotubes // Microelectronic Engineering. 2017. V. 167. P. 95-104. DOI: 10.1016/j.mee.2016.11.007
Shah K.A., Tali B.A. Synthesis of carbon nanotubes by catalytic chemical vapour deposition: A review on carbon sources, catalysts and substrates // Materials Science in Semiconductor Processing. 2016. V. 41. P. 67-82.
DOI: 10.1016/j.mssp.2015.08.013
Lin J., Yang Y., Zhang H. et al. Carbon nanotube growth on titanium boride powder by chemical vapor deposition: Influence of nickel catalyst and carbon precursor supply // Ceramics International. 2020.
DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.02.002
Пахомов Н.А. Научные основы приготовления катализаторов: введение в теорию и практику. Новосибирск: СО РАН, 2011. 262 с.
Guo Y., Zhai G., Ru Y. et al. Effect of different catalyst preparation methods on the synthesis of carbon nanotubes with the flame pyrolysis method // AIP Advances. 2018. V. 8. 035111.
DOI: 10.1063/1.5020936
Yao C., Bai W., Geng L., He Y. et al. Experimental study on microreactor-based CNTs catalysts: Preparation and application // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2019. V. 583. 124001.
DOI: 10.1016/j.colsurfa.2019.124001
Acomb J.C., Wu C., Williams P.T. The use of different metal catalysts for the simultaneous production of carbon nanotubes and hydrogen from pyrolysis of plastic feedstocks // Applied Catalysis b-Environmental. 2016. V. 180. P. 497-510.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2015.06.054
Sivakumar V.M., Abdullah A.Z., Mohamed A.R. et al. Optimized parameters for carbon nanotubes synthesis over Fe and Ni catalysts via methane CVD // Reviews on advanced materials science. 2011. V. 27. P. 25-30.
Ganiyu S.A., MurazaO., Hakeem A.S. et al. Carbon nanostructures grown 3D silicon carbide foams: Role of intermediate silics layer and metal growth // Chemical Engineering Journal. 2014. V. 258. P. 110-118.
DOI: 10.1016/j.cej.2014.05.150
Magrez A., Seo J.W., Smajda R. et al. Catalytic CVD synthesis of carbon nanotubes: Towards high yield and low temperature growth // Materials. 2010. V. 3. № 11. P. 4871-4891.
DOI: 10.3390/ma3114871
Скичко Е.А., Ломакин Д.А., Гаврилов Ю.В. и др. Экспериментальное исследование кинетических закономерностей синтеза углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом газовых смесей переменного состава // Фундаментальные исследования. 2012. № 3-2. C. 414-416.
Yao D., Zhang Y., Williams P.T. et al. Co-production of hydrogen and carbon nanotubes from realworld waste plastics: Influence of catalyst composition and operational parameters // Applied Catalysis B: Environmental. 2018. V. 221. P. 584-597.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.09.035
Al-Fatesh A.S., Fakeeha A.H., Ibrahim A.A. et al. Decomposition of methane over alumina supported Fe and Ni-Fe bimetallic catalyst: Effect of preparation procedure and calcination temperature // Journal of Saudi Chemical Society. 2018. V. 22. № 2. P. 239-247.
DOI: 10.1016/j.jscs.2016.05.001
Yao D., Zhang Y., Williams P.T. et al. Co-production of hydrogen and carbon nanotubes from real-world waste plastics: Influence of catalyst composition and operational parameters // Applied Catalysis B: Environmental. 2018. V. 221. P. 584-597.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.09.035
Пат. № 2427674, RU, D01F9/127, C01B31/02, B82B3/00. Способ получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом / Постнов В.Н., Новиков А.Г., Романычев А.И. Патентообладатель: ЗАО ИЛИП, ООО "Нанотехсинтез", ООО "Нанокарбпродукт". № 2009145971; Заявл. 08.12.2009; Опубл. 27.08.2011, Бюл. № 24.
Пат. № 2397951, RU, C01D31/02, D82D3/00. Способ получения углеродных нанотруб / Шляхова Е.В., Окторуб А.В., Юданов Н.Ф. и др. Патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН. № 2009100732; Заявл. 11.01.2009; Опубл. 27.08.2010, Бюл. № 24.
Xu X., Huang S., Yang Z. et al. Controllable synthesis of carbon nanotubes by changing the Mo content in bimetallic Fe-Mo/MgO catalyst // Materials Chemistry and Physics. 2011. V. 127. № 2. P. 379-384.
DOI: 10.1016/j.matchemphys.2011.02.028
Liu H., Zhang Y., Li R., Sun X., Abou-Rachid H. Effects of bimetallic catalysts on synthesis of nitrogen-doped carbon nanotubes as nanoscale energetic materials // Particuology. 2011. V. 9. № 5. P. 465-470.
DOI: 10.1016/j.partic.2011.02.009
Wang G., Wang J., Wang H. et al. Preparation and evaluation of molybdenum modified Fe/MgO catalysts for the production of single-walled carbon nanotubes and hydrogen-rich gas by ethanol decomposition // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014. V. 2. № 3. P. 1588-1595.
DOI: 10.1016/j.jece.2014.05.021
Qin S., Zhang C., Xu J. et al. Fe-Mo interactions and their influence on Fischer-Tropsch synthesis performance // Applied Catalysis A: General. 2011. V. 392. № 1-2. P. 118-126.
DOI: 10.1016/j.apcata.2010.10.032
Wang G., Wang J., Wang H. et al. Preparation and evaluation of molybdenum modified Fe/MgO catalysts for the production of single-walled carbon nanotubes and hydrogen-rich gas by ethanol decomposition // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014. V. 2. № 3. P. 1588-1595.
DOI: 10.1016/j.jece.2014.05.021
Зараменских К.С. Углеродные нанотрубки для керамических композитов: автореферат дис. кандидата химических наук. Москва, 2011. 18 c.
Karima M., Badiei A., Zarabadi-Poor P. The impact of cadmium loading in Fe/alumina and synthesis temperature on carbon nanotubes growth by chemical vapour deposition method // J. Sci. Islam. Repub. Iran. 2015. V. 26. № 1. P. 17-24.
Awadallah A.E. Promoting effect of group VI metals on Ni/MgO for catalytic growth of carbon nanotubes by ethylene chemical vapour deposition // Chemical Papers. 2015. V. 69. № 2.
DOI: 10.1515/chempap2015-0029
Красников Д.В. Формирование активных центров катализаторов в процессах синтеза многослойных углеродных нанотрубок с контролируемыми свойствами. Новосибирск. 2015. 156 с.
Буракова Е.А., Бесперстова Г.С., Неверова М.А, Ткачев А.Г. и др. Особенности получения катализатора синтеза углеродных нанотрубок // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. № 2. С. 261-267.
DOI: 10.20914/2310-1202-2019-2-261-267
Wang G., Wang J., Wang H. et al. Preparation and evaluation of molybdenum modified Fe/MgO catalysts for the production of single-walled carbon nanotubes and hydrogen-rich gas by ethanol decomposition // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014. V. 3. P. 1588-1595.
DOI: 10.1016/j.jece.2014.05.021
Корзанов В.С., Кетов А.А. Исследование термического поведения соединений // Вестник пермского университета. Серия: химия. 2012. № 2 (6). C. 48-54.
Романков П.Г., Курочкина М.И., Мозжерин Ю.Я. и др. Процессы и аппараты химической промышленности: учебник для техникумов. Л.: Химия, 1989. 560 с.
Рухов А.В. Особенности определения длины углеродных нанотрубок. Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение // Материалы II Международной научно-практической конференции. 2017. С. 431-433.
Дьячкова Т.П., Хан Ю.А., Орлова Н.В., Кондрашов С.В. Окисление многослойных углеродных нанотрубок в парах перекиси водорода: закономерности и эффекты // Вестник ТГТУ. 2016. Т. 2. № 2. С. 323-333.
Туголуков Е.Н., Аль-Шариф А.Дж., Дьячкова Т.П., Буракова Е.А. И сследование теплопроводности наномодифицированных жидкостей // Вестник ТГТУ. 2019. Т. 25. № 4. С. 323-333.

Еще

Статья научная