Особенности образования анизотропных углеродных наноструктур на Fe, Co, Ni-содержащих катализаторах

• Автор: Черкасов, Николай Борисович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

1 Введение
2 Обзор литературы
2.1 Виды углеродных наноструктур
2.1.1 Одностенные углеродные нанотрубки
2.1.2 Многостенные УНТ
2.1.3 Углеродные нановолокна
2.2 Способы получения углеродных наноматериалов
2.2.1 Синтез в дуговом разряде
2.2.2 Синтез лазерным испарением графита
2.2.3 Пиролитическое разложение органических соединений
2.2.4 Рост УНТ в присутствии слабых окислителей
2.2.5 Методы очистки УНТ
2.3 Особенности исследования углеродных наноматериалов
2.3.1 Электронная микроскопия
2.3.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния
2.3.3 Термический анализ
2.3.4 Рентгеновская дифракция
2.3.5 Мёссбауэровская спектроскопия
2.4 Модель формирования углеродных наноматериалов
3 Экспериментальная часть
3.1 Синтез нанокомпозитов
3.2 Методы исследования
3.3 Обработка экспериментальных данных
4 Обсуждение результатов
4.1 Выбор варьируемых параметров
4.2 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с использованием
ферроцена
4.2.1 Температура синтеза
4.2.2 Скорость потока газа-носителя
4.2.3 Концентрация ферроцена
4.2.4 Газ-носитель
4.2.5 Объём распыляемого раствора
4.2.6 Растворитель
4.3 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с ацетилацетонатом
железа (III)
4.3.1 Температура синтеза
4.3.2 Скорость потока газа-носителя
4.3.3 Концентрация ацетилацетоната железа (III)
4.3.4 Газ-носитель
4.3.5 Растворитель
4.4 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с ацетилацетонатом
железа (II)
4.4.1 Температура синтеза
4.4.2 Скорость потока газа-носителя
4.4.3 Концентрация ацетилацетоната железа (II)
4.4.4 Г аз-носитель
4.4.5 Растворитель
4.5 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с никелоценом
4.5.1 Температура синтеза
4.5.2 Скорость потока газа-носителя
4.5.3 Концентрация никелоцена
4.5.4 Газ-носитель
4.5.5 Объём распыляемого раствора
4.5.6 Растворитель
4.6 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с ацетилацетонатом
никеля (II)
4.6.1 Температура синтеза
4.6.2 Скорость потока газа-носителя
4.6.3 Концентрация ацетилацетоната никеля (II)
4.6.4 Газ-носитель
4.6.5 Объём распыляемого раствора
4.6.6 Растворитель
4.7 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с кобальтоценом
4.8 Факторы, влияющие на синтез нанокомпозитов с ацетилацетонатом
кобальта (II)
4.8.1 Температура синтеза
4.8.2 Скорость потока газа-носителя
4.8.3 Концентрация ацетилацетоната кобальта (II)
4.8.4 Газ-носитель
4.8.5 Растворитель
4.9 Качественная модель роста образования УНТ
4.10 Количественная модель роста образования УНТ
4.11 Внедрение результатов работы
5 Выводы
6 Список литературы

1 Введение
Углеродные нанотрубки (УНТ) - материалы, демонстрирующие огромные перспективы применения в самых различных сферах из-за своих уникальных физических и химических свойств. Так, они обладают высоким пределом прочности на разрыв (в 50-100 раз большим, чем у стали), значением модуля Юнга[1-3], выдерживают нагревание до 1000°С в инертной атмосфере; их теплопроводность в два раза выше, чем у алмаза, удельная площадь поверхности может превосходить 1500 м2/г, а плотность - быть меньше, чем у алюминия [4]. УНТ, в зависимости от структуры, могут обладать как полупроводниковыми, так электропроводящими свойствами [5,6], причём максимальная плотность тока в них почти в 1000 раз превышает этот показатель для меди [7]. Высокое соотношение длины к диаметру приводит к повышению напряжённости электрического поля на концах нанотрубок в сотни раз, по сравнению со средней напряжённостью, создаваемой внешним источником, что позволяет их использовать в качестве эффективных холодных эмиттеров электронов [8].
Именно эти свойства позволяют УНТ находить своё применение не только в микроколичествах, как например, при производстве зондов туннельных микроскопов или транзисторов[9-12], фильтрах тонкой очистки воды [13] и газов [14], но и в более масштабных вариантах - в качестве сорбентов, носителей катализаторов [15-18], добавок в композитные и строительные материалы [19-22]. Именно поэтому особенно актуальной является проблема разработки методов получения больших количеств углеродных наноматериалов, которые сочетают высокие чистоту и выходы продуктов с минимальной себестоимостью.
Среди трёх основных путей синтеза УНТ (дугового, лазерного и пиролитического [23]) наиболее перспективен последний, поскольку он не только отвечает поставленным требованиям, но и позволяет модифицировать структуру материалов, например, введением гетероатомов. Также этот подход допускает использование окислителей, что позволяет добиваться значительного увеличения выхода продуктов [24-28] и, особенно важно -получать катализатор in situ в реакторе. Последнее представляется особенно перспективным с точки зрения технологичности, возможности масштабирования процесса и снижения себестоимости продуктов, по сравнению с традиционным методом использования предварительно приготовленного нанесенного катализатора, за счёт исключения стадии приготовления катализатора и последующего отделения от продуктов. Для реализации предлагаемого подхода проводят разложение либо легколетучих соединений металлов (карбонилов [29], циклопентадиенилов [30-34] или фталоцианинов [35]), либо аэрозоля раствора металлорганического соединения в углеводороде [36-37]. Второй метод, хоть и является более технически сложным, позволяет использовать гораздо более широкий круг

приборе «Vario MieroCube» (производства «Elementar»). Для определения кислорода навеска 2-5 мг, помещенная в оловянную лодочку, сжигалась в анализаторе при температу ре 1170°С в атмосфере 5%I I2/N2 в О-режиме. Для определения С, Н, N навеска образца 2-5 мг сжигалась при температуре 1170°С в атмосфере Ог/Не. Разделение продуктов сгорания СО2, II2O и N2 осуществляется в приборе методом температурно-программируемой десорбции с адсорбционной колонки. Анализ СО2. Н2О и N2 осуществлялся по теплопроводности газов.
Энергодисиерснонный рентгенослсктральный анализ
Анализ проводили на вакуумном спектрометре производства ООО «РсСпект». Для проведения анализа небольшое количество образца наносили на полипропиленовую пленку, и подвергали излучению рентгеновской трубки с Ag прострельным анодом, ускоряющее напряжение 35 кВ, ток 0,1 мА. Результаты обрабатывали с использованием программного обеспечения прибора.
Лазерная конфокальная микроскопия
Исследование морфологии кристаллов ферроцена проводили с помощью оптической микроскопии на лазерном (405 нм) сканирующем конфокальном микроскопе Olympus LEXT OLS-3100.
Спектрофотометрическое определение концентрации
Определение концентрации насыщенного раствора ферроцена проводили спектрофотометрически на приборе С’ПЕКС ССП-715 при возбуждении спектра кссноновьш источником. Определение концентрации ферроцена проводили следующим образом: исследуемый раствор разбавляли в 10 раз бензолом, помещали в кварцевую кювету длиной оптического пути I см и определяли оптическую плотность при длине волны 450 нм. Концентрацию определяли с помощью градуировочного графика относительно образцов известной концентрации, полученных растворением навесок ферроцена в бензоле (рисунок 31).
Определение концентрации никелоцена проводили при длине волны 700 им. Для этого
исследуемый раствор фильтровали, фильтрат разбавляли в 10 раз бензолом, помещали в
кварцевую кювету с длиной оптического пуги 1 см. и концентрацию находили с помощью