Каталитический синтез и исследование азотсодержащих углеродных нановолокон

• Автор: Шалагина, Анастасия Евгеньевна
• Шифр специальности: 02.00.15
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 134 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Азотсодержащие углеродные наноструктурированныс материалы.

Свойства азотсодержащих углеродных нановолокон ЫУНВ

1.2. Методы синтеза углеродных нановолокон, донированных азотом

1.2.1. Физические методы синтеза 1ЧУИВ

1.2.2. Методы, основанные на пиролизе

1.2.3. Твердофазный и сольвотермальный синтез

1.2.4. Постобработка У ИВ

1.3. Структурные особенности УНВ и модели их роста
1.4. Влияние азотсодержащей атмосферы на состояние катализатора
1.5. Влияние условий каталитического синтеза на содержание азота в
углеродных материалах
1.5.1. Предшественник
1.5.2. Катализатор
1.5.3. Температура
1.6. Химия поверхности и электронное состояние атомов азота и углерода в
1.7. Влияние азота на функциональные свойства материала. Применение
азотсодержащих УНВ
1.8. Заключение по литературному обзору и постановка задачи
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Методика приготовления катализаторов синтеза УЫВ и Г1УНВ
2.2. Методика синтеза УНВ и ЫУНВ
2.3. Методика приготовления платиновых катализаторов, нанесенных на УНВ
и 2МУНВ
2.4. Методика измерения каталитической активности в реакции окисления
оксида углерода кислородом воздуха
2.5. Физикохимические методы исследования катализаторов, УНВ и УНВ
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ФОРМИРОВАНИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН
3.1. Влияние химического состава катализатора
3.2. Влияние природы углеводорода
3.3. Кинетические закономерности реакции разложения смсси этиленаммиак
на И1СиА0з катализаторе
3.4. Структура и текстура ИУНВ
3.5. Содержание азота в Т1УIIВ
3.6. Электронное состояние азота в ИУНВ
3.7. Заключение к Главе 3 возможный механизм роста ТМУНВ
Глава 4. ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КАТАЛИЗАТОРА
ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МУНВ
4.1. Изменение фазового состава и структуры МьСиА0з катализатора в
процессе разложения СгННз смеси
4.1.1. Рентгенофазовый анализ
4.1.2. Рентгеновская дифрактометрия с использованием эффекта аномального рассеяния
4.1.3. ЕХАРЯ спектроскопия
4.2. Влияние предшественника на фазовый состав и структуру 1ЛСи
АЬОз катализатора при формировании УНВ и МУНВ
4.2.1. Влияние природы углеводорода
4.2.2. Влияние концентрации аммиака в СгНЫНз смеси
4.3. Влияние температуры реакции разложения СгЬЫНз смеси на фазовый
состав М1СиАЬОз катализатора
4.4. Заключение к Главе 4 формирование активного состояния
металлического катализатора в процессе синтеза МУНВ из СгПНз предшественн и ка
Глава 5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА АЗОТСОДЕРЖАЩИХ УНВ
5.1. Электрофизические свойства УНВ и ИУНВ
5.2. ЫУНВ как носители платиновых катализаторов РЬТУНВ
5.2.1. Влияние содержания азота в МУНВ на дисперсность платины в
нанесенных катализаторах
5.2.2. Влияние содержания азота в ЫУНВ на электронное состояние
платины в нанесенных катализаторах
5.2.3. Активность Р1УНВ и Р1ЫУНВ катализаторов в реакции
низкотемпературного окисления СО
5.3 Заключение к Главе 5 перспективы применения ЫУНВ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


С тех пор появился большой объем теоретических исследований, посвященных возможным структурным модификациям нитридов углерода, в том числе, их трубчатым формам, а также физическим характеристикам различных структур. В качестве прототипа ковалентных соединений углерода с азотом при теоретическом анализе был выбран нитрид состава 34, и рассмотрены различные вариации его структуры, отличающиеся соотношением 2 и 3 гибрндизованных атомов углерода и азота. В первую очередь была исследована структура гексагонального нитрида 34, аналогичная структуре нитрида кремния Дз, материала с экстремально высокой прочностью, низким тепловым расширением, высокой твердостью и химической стойкостью , . Структура ДСзЭД образована тетраэдрами 4 с атомами 3 в центре тетраэдров и атомами . Рис. Эти тетраэдры соединены друг с другом вершинами с образованием трехмерной гексагональной структуры с 6, 8 и ти членными кольцами из чередующихся атомов углерода и азота. Слои упакованы в последовательности АЛЛ. Теоретические расчеты показали, что фаза Д34 является метастабильной, характеризуется высокой теплопроводностью, низкой сжимаемостью и модулем объемного сжатия 7 ГПа, сравнимым с объемным модулем алмаза, равным 3 ГПа , . Дефектная нсевдокубическая структура 34 также характеризуется высоким значением объемного модуля 5 ГПа, близким к алмазу, но является нестабильной . Наиболее стабильной среди рассмотренных структур нитрида 34 оказалась дефектная графитоподобная структура с одной углеродной вакансией на 4 атома азот Рис. АВСАВС. Рис. Кристаллические структуры нитрида 34 а гексагональный 934, б слой графитоподобного ромбоэдрического и в орторомбического 34 . В дополнение к вышеперечисленным структурам и рассмотрели огСзЫ4 структуру с атомным порядком в слое, как в 334, и упаковкой слоев АВАВ. В зеркально отображенная плоскость А . Сравнительный анализ различных структур показал, что наиболее стабильными являются огСзЫ4 и графитоподобный нитрид. Рис. Было показано, что 34 трубки являются диэлектриками и характеризуются высокой стабильностью. В то же время трубчатый нитрид проявляет металлические свойства, независимо от диаметра и хиральности. Полуэмиирические расчеты, выполненные в , позволили установить, что наиболее стабильными являются i ориентированные трубки с связями, параллельными оси трубки. Таким образом, многочисленные теоретические исследования предсказывают возможность существования широкого спектра различных структурных модификаций нитридов углерода, а также уникальные свойства этих фаз и взаимосвязь между структурой материала и его свойствами. Поэтому фундаментальной целью исследований в области синтеза азотсодержащих углеродных материалов является экспериментальная проверка теоретических данных и возможности осуществления дизайна материалов, начиная с теоретических расчетов и выбора объектов для лабораторного синтеза . Прикладная задача этих исследований состоит в создании эффективных материалов с уникальными механическими свойствами для использования в качестве компонентов высокотемпературных, высокопрочных и высокочастотных устройств, используемых в микроэлектронике и космической индустрии . В экспериментальных работах по синтезу нитридоподобного углерода применялись разнообразные методы, приводящие к образованию азотдопированных углеродных наноструктур с различным содержанием азота и структурными характеристиками. Анализ литературных данных позволяет заключить, что образованию пленок с высоким содержанием азота способствует применение физических методов синтеза. Так, поли кристаллические 34 пленки ат. Комбинацией импульсной лазерной абляции и источника пучка атомарного азота были синтезированы пленки с концентрацией азота до ат. Методом ионной бомбардировки были получены аморфные пленки ат. Кристаллические пленки нитридов углерода тСзК4 и С34 ат. СН4 и 2 в качестве предшественников . В продуктах лазерной абляции графита и радиочастотного диодного распыления графитовой мишени в атмосфере 2 были обнаружены кристаллиты размером 0.