Технология получения высокоадсорбционных материалов на основе углеродных нановолокон

• Автор: Пешнев, Борис Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 288 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1. Обзор научнотехнической литературы

1.1. Морфология и свойства УНВ

1.2 Потенциальные области применения УНВ

1.2.1. Применение УНВ в композиционных материалах

1.2.2. Применение УНВ в качестве носителя катализаторов

1.2.3. Применение УНВ для выделения компонентов из газовых и

жидких смесей

1.2.4. Применение УНВ для аккумулирования водорода

1.2.5. Другие возможные направления использования УНВ

1.3. Получение УНВ
1.3.1. Катализаторы синтеза УНВ и их получение
1.3.2. Условия и аппаратурное оформление синтеза УНВ
1.3.3. Очистка УНВ
1.4. Механизм образования УНВ
1.4.1. Активные центры образования УНВ
1.4.2. Механизм и кинетические закономерности образования углерода на поверхности катализатора
1.4.3. Формирование углеродного волокна
1.5. Заключение
2. Теоретические основы синтеза УНВ и материалов на их основе с
заданными характеристиками
3. Экспериментальная часть
3.1. Характеристика объектов исследования
3.2 Установка и методика синтеза УНВ
3.3 Модификация УНВ и синтез на их основе углеродных материалов
3.3.1. Деметаллизация УНВ
3.3.2. Термообработка образцов
3.3.3. Пироуплотнение и активация образцов
3.4. Определение структурных и физикохимических характеристик
3.4.1. Информационные возможности метода КОМПАС
3.4.2. Определение сорбционных характеристик
3.4.2.1. Методика определения сорбции из газовой фазы
3.4.2.2. Методика определения сорбции из жидкой фазы
4. Синтез УНВ с заданными свойствами
4.1. Влияние условий синтеза на свойства УНВ
4.2. Влияние условий синтеза на характеристики углеродной составляющей волокна
5. Механизм образования УНВ
5.1. Активные центры образования углерода
5.2. Механизм образования поверхностного углерода
5.3. Механизм формирования углеродных нановолокон
6. Получение углеродных материалов модификацией УНВ
6.1. Характеристика объекта исследования
6.2. Синтез УНВДТ и их характеристики
6.3. Синтез и характеристики УНВТД
6.4. Сорбционные характеристики УНВ и материалов УНВД,
УНВДТ и УНВТД
7. Углеродные композиты на основе УНВ
7.1. Пироуплотнение УНВ и УНВД
7.2. Активация углеродных нановолокон и композитов на их основе
7.3. Характеристики углеродуглеродных материалов
8. Технологическое оформление процессов получения углеродных материаюв на основе УНВ
8.1. Синтез УНВ с заданными характеристиками
8.1.1. Программный комплекс расчета реакции диспропорциониро
вания СО
8.1.2. Аппаратурное оформление процесса синтеза УНВ
8.2. Деметаллизация УНВ
8.3. Результаты испытаний УНВ и материалов, полученных на их
основе
Выводы
Литература


Идеальные аккумуляторы водорода должны быть легкими, компактными, относительно недорогими, безопасными, простыми при эксплуатации, обеспечивать возможность повторного их использования без регенерации. В настоящее время, перечисленным требованиям не отвечает ни один из исследованных вариантов хранения водорода системы с жидким водородом, сжатым водородом, металлогидридные системы и системы со сверхактивированным углеродом. Все они имеют существенные недостатки. Системы с жидким водородом очень дороги, поскольку водород должен быть охлажден до 2 С и контейнер для его хранения должен иметь эффективную изоляцию. Сжатый водород более дешев, чем жидкий, но занимает больший объем и требует использования громоздких, высокопрочных контейнеров. Недостатком систем хранения водорода в твердом виде металлогидридные системы является незначительное его содержание 2 масс. Кроме того, для выделения водорода гидриды необходимо нагревать до высоких температур. Не оправдал ожиданий исследователей и сверхактивированный углерод, поскольку его использование предполагает наличие очень низких температур для предотвращения преждевременной десорбции водорода. Таким образом, задача создания эффективных материалов для аккумуляции водорода остается актуальной 6. УНВ для аккумулирования водорода, с целью создания топливных элементов для транспортных средств вызвали особый интерес. Сообщено 8 о создании объединения промышленных предприятий и научноисследовательских институтов проект 1 для реализации этой цели. На первом этапе исследований были получены данные о способности аккумулировать водород рядом углеродных материалов активированным углем, нанотрубками и нановолокнами. Авторы не приводят характеристик использованных волокнистых структур, отмечая лишь, что они состоят из смесей аморфных материалов, нановолокон и нанотрубок различных форм. Наличием аморфной составляющей можно, повидимому, объяснить низкие значения адсорбционной емкости по водороду, не превышающие 2. У активированного угля аналогичный показатель равен 0. На последующих этапах рсшшзации проекта планируется проведение исследований с использованием нановолокон, изучение их морфологии и механизма аккумулирования водорода. Однако вопросы, связанные с механизмом аккумулирования водорода и влиянием морфологии углеродных волокон на этот процесс уже достаточно активно обсуждаются в литературе 9, 0,9. Теоретические расчеты максимально возможного содержания Нг в сростках однослойных УНВ различных диаметров, представленные в , показывают, что сорбционная емкость по Нг увеличивается с увеличением диаметра волокна. Так, сростки диаметром 0. Иг, а диаметром нм до . Необходимая емкость 6. Надо также отметить, что 6. УНВ. Предварительные результаты по разработке технологии аккумулирования водорода углеродными волокнами представлены в 8. Отмечается, что эта технология технически и экономически перспективна и целью интенсивных исследований в этой области является ускорение внедрения водородных топливных элементов на основе УНВ в автомобильный транспорт. Интерес к использованию УНВ для хранения водорода возрос после 7, где говорится, что однослойные УНВ диаметр 1. С и давлении кПа сорбировали водород в количестве 5 масс, или кгм3. При 0 С сорбция водорода составляла 57 . Данные являются экстраполяцией результатов, полученных для образца, содержащего 0. УНВ, на образец, чистотой . Этот показатель существенно превышает аналогичное значение для металлогидридов и активированного угля. Транспортные средства, оборудованные такими топливными элементами, потребуют 3. Для этого количества водорода, хранящегося в обычном по весу и объему топливном баке, необходимо, чтобы адсорбционная емкость системы составляла примерно кг Нгм3 адсорбента. Ни одна из существующих технологий аккумулирования водорода не позволяет достигнуть столь высокого показателя. УНВ с диаметром А приближаются к нужному значению адсорбционной емкости и работают при комнатных температурах. В работе 5 показано, что специально обработанные отожженные в течение 2 ч при 3 К и имеющие диаметр 1.