Влияние термообработки на свойства катализатора синтеза углеродных нанотрубок
https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-237-246
Аннотация
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.
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-43-680005.
Об авторах
Е. А. Буракова
Тамбовский государственный технический университет
Россия
к.т.н., доцент, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
Россия
к.т.н., доцент, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
Г. С. Бесперстова
Тамбовский государственный технический университет
аспирант, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
аспирант, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
М. А. Неверова
Тамбовский государственный технический университет
соискатель, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
соискатель, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
А. Г. Ткачев
Тамбовский государственный технический университет
д.т.н., профессор, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
д.т.н., профессор, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
Н. А. Чапаксов
Тамбовский государственный технический университет
аспирант, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
аспирант, кафедра техники и технологий производства нанопродуктов, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
А. В. Рухов
Тамбовский государственный технический университет
д.т.н., доцент, кафедра химии и химических технологии, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
д.т.н., доцент, кафедра химии и химических технологии, ул. Советская 106, г. Тамбов, 392000, Россия
Список литературы
1. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. М.: Университетская книга, Логос, 2006. 376 с.
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. Пахомов Н.А. Научные основы приготовления катализаторов: введение в теорию и практику. Новосибирск: СО РАН, 2011. 262 с.
9. 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
10. 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
11. 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
12. 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.
13. 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
14. 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
15. 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.
16. 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
17. 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
18. 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
19. 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.
20. 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.
21. 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
22. 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
23. 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
24. 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
25. 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
26. Зараменских К.С. Углеродные нанотрубки для керамических композитов: автореферат дис. кандидата химических наук. Москва, 2011. 18 c.
27. 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.
28. 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
29. Красников Д.В. Формирование активных центров катализаторов в процессах синтеза многослойных углеродных нанотрубок с контролируемыми свойствами. Новосибирск. 2015. 156 с.
30. 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
31. 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
32. Корзанов В.С., Кетов А.А. Исследование термического поведения соединений // Вестник пермского университета. Серия: химия. 2012. № 2 (6). C. 48–54.
33. Романков П.Г., Курочкина М.И., Мозжерин Ю.Я. и др. Процессы и аппараты химической промышленности: учебник для техникумов. Л.: Химия, 1989. 560 с.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
Рецензия
Для цитирования:
Буракова Е.А., Бесперстова Г.С., Неверова М.А., Ткачев А.Г., Чапаксов Н.А., Рухов А.В. Влияние термообработки на свойства катализатора синтеза углеродных нанотрубок. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020;82(1):237-246. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-237-246
For citation:
Burakova E.A., Besperstova G.S., Neverova M.A., Tkachev A.G., Chapaksov N.A., Rukhov A.V. The influence of heat treatment on the properties of the catalyst for the synthesis of carbon nanotubes. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2020;82(1):237-246. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-237-246
Просмотров: 485
Послать статью по эл. почте 
Оставить комментарий 
