Структура и сорбционные свойства углеродных наноматериалов

• Автор: Петрушин, Иван Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 97 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Синтез и структура углеродных наноразмерных материалов

1.1. Открытие углеродных наноструктур

1.2. Методы получения

1.3. Структурный анализ образцов углеродных наноматериалов

ГЛАВА 2. Сорбционные свойства углеродных наноразмерных

материалов

2.1. Анализ данных о сорбционной способности углеродных 26 материалов

2.2. Метод термопрограммируемой десорбции

Экспериментальные результаты.

ГЛАВА 3. Метод молекулярных функций распределения
3.1. Основы метода функций распределения
3.2. ДБчастичное уравнение Лиувилля, /-частичные функции 42 распределения
3.3. Уравнения Боголюбова для термодинамически равновесных 49 систем
3.4. Обобщенная система уравнений Орнштейна-Цернике
ГЛАВА 4. Описание ближнего порядка в наноструктурах на основе
молекулярных функций распределения
4.1. Особенности структурирования граничных слоев
4.2. Гравиметрическая/ объемная и избыточная сорбционные 69 емкости графитовых нановолокон и водородсорбционные свойства углеродных нановолокон
4.3. Построение надсинглетного приближения
Основные научные результаты
Библиографическое описание
Материалы, опубликованные по теме диссертации

ВВЕДЕНИЕ
Исследование процесса адсорбции газообразных веществ поверхностными структурами углерода является актуальной задачей современной науки и техники. В частности, такие структуры могут служить основой создания компактного водородного аккумулятора для экологически чистой энергетики, а также для энергообеспечения малогабаритных электронных устройств.
Особо перспективными из них являются углеродные нанотрубки (УНТ) и комплексы графитовых нановолокон (ГНВ). На сегодняшний день установлены некоторые общие закономерности, характерные для сорбции газов. В то же время остаются открытыми вопросы о термодинамических условиях возникновения физической и химической сорбции, роли внутренних полостей наноструктур, значениях теплоты сорбции, предельных оценках емкостных характеристик, способах увеличения устойчивости композитов и т.п.
Все эти вопросы являются следствием двух нерешенных проблем: совершенствования методов синтеза и очистки образцов, и отсутствия надежных теоретических методов расчета сорбционных характеристик наноструктурных материалов.
Объектом изучения данной работы являются поверхностные наноструктуры углерода. Исследуются их водородсорбционные свойства и устанавливается связь структурных параметров образцов с теплофизическими условиями заполнения.
Равновесные свойства материалов, находящихся в газовой среде, в значительной степени определяются поверхностными явлениями на границе раздела двух фаз. Как правило, толщина приповерхностных слоев составляет десятки нанометров, что для массивных образцов не существенно. Однако вследствие значительной удельной поверхности углеродных нановолокон (УНВ) или нанотрубок (УНТ) размерные эффекты особенно ощутимо влияют на характер проходящих процессов.

Именно поэтому актуальным является согласованное теоретическое и экспериментальное исследование процессов тепло- и массопереноса в наноразмерных структурах.
Молекулярные процессы, протекающие на межфазной границе раздела, наиболее последовательно описываются методами статистической механики.
В работе предлагается методология описания сорбционных явлений в наноструктурах на основе интегральных уравнений статистической механики для частичных функций распределения. Методология апробирована на модельной задаче - расчет локальной микроструктуры газа в зазоре между двумя ограничивающими твердыми непроницаемыми поверхностями.
Результаты таких расчетов крайне актуальны, поскольку позволяют оценивать предельные водородсорбционные характеристики образцов и определять оптимальные параметры теплофизических экспериментов.
Целью диссертационной работы является
• формулировка уравнений, описывающих адсорбционные процессы в модельных наноструктурах
• экспериментальное изучение сорбционных процессов в реальных углеродных наноструктурах
• интерпретация экспериментальных результатов
Лля достижения цеди решались следующие задачи:
• Проведение рентгеноструктурных исследований фазового состава и структуры углеродных нанообразцов, выращенных пиролитическим и электродуговым методом
• Экспериментальное определение концентрации адсорбированного водорода в углеродных наноструктурированных образцах при нормальных условиях

области водородных аккумуляторов, так как позволяет изучать реальные непроводящие порошкообразные и пористые системы, к которым относятся углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки, фуллерены [44, 45, 46].
Эксперимент проводился на анализаторе хемосорбции ChemiSorb 2750 (Micromeritics, USA), совмещенном с масс-спектрометром QMS-300 (Stanford Research System, USA). Принцип действия прибора основан на пропускании через исследуемый образец смеси газов, в нашем случае аргона (90%) и водорода (10%) в процессе линейного нагревания или остывания образца. В результате десорбции или адсорбции происходит выделение или поглощение водорода, что сопровождается изменением пропорции аргона и водорода в смеси газов. Так как теплопроводность аргона и водорода отличается более чем в 10 раз, то по измерению теплопроводности можно с достаточной точностью оценить изменение количественного состава газов.
Использование аргона в качестве транспортного газа позволяет поддерживать постоянную скорость потока газовой смеси через образец. Так как размер молекул аргона достаточно велик, а сам газ инертен, то его взаимодействие с поверхностью образца минимально.
Использование квадрупольного масс-спектрометра позволяет доказать, какие именно газы мы видим на выходе из образца. Так при предварительной очистке образцов мы наблюдали выход Ог, СОг, Н2, Н2О. Однако после предварительного нагрева до 800 К в атмосфере гелия удалось очистить исследуемые образцы от посторонних адсорбентов. В дальнейшем мы наблюдали на масс-спектрометре именно водород и аргон в качестве единственных газов, присутствующих в газовой смеси.