Metodă de purificare a apelor de suprafață și subterane din titan și compușii acestuia folosind nanotuburi de carbon și ultrasunete. Nanotuburi de carbon Purificarea nanotuburilor de carbon

Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse

Instituția Federală de Stat de Învățământ Profesional Superior

Universitatea Rusă de Tehnologie Chimică D. I. Mendeleev

Facultatea de Chimie Petrolieră și Materiale Polimerice

Scaun tehnologie chimică materiale de carbon

RAPORT DE PRACTICĂ

pe tema NANOTUBURI DE CARBON ŞI NANOVOLCI

Completat de: Marinin S. D.

Verificat de: doctor în științe chimice, Bukharkina T.V.

Moscova, 2013

Introducere

Domeniul nanotehnologiei este considerat la nivel mondial ca un subiect cheie pentru tehnologiile secolului XXI. Posibilitățile de aplicare versatilă a acestora în domenii precum producția de semiconductori, medicamente, tehnologia senzorilor, ecologie, industria auto, Materiale de construcție, biotehnologie, chimie, aviație și astronautică, inginerie mecanică și industria textila au un potențial imens de creștere. Utilizarea produselor nanotehnologice va economisi materii prime și consumul de energie, va reduce emisiile în atmosferă și, prin urmare, va contribui la dezvoltare durabilă economie.

Evoluțiile în domeniul nanotehnologiilor sunt realizate de un nou domeniu interdisciplinar - nanoștiința, unul dintre domeniile căruia este nanochimia. Nanochimia a apărut la începutul secolului, când părea că totul în chimie era deja deschis, totul era clar și nu mai rămânea decât să folosești cunoștințele dobândite în beneficiul societății.

Chimiștii au cunoscut întotdeauna și au înțeles bine importanța atomilor și moleculelor ca elemente de bază ale unei vaste fundații chimice. În același timp, dezvoltarea unor noi metode de cercetare, cum ar fi microscopia electronică, spectroscopia de masă foarte selectivă, în combinație cu metode speciale de preparare a probelor, a făcut posibilă obținerea de informații despre particulele care conțin un număr mic, mai mic de o sută de atomi. .

Aceste particule, cu dimensiunea de aproximativ 1 nm (10-9 m este doar un milimetru împărțit la un milion), au proprietăți chimice neobișnuite, greu de prezis.

Cele mai cunoscute și de înțeles pentru majoritatea oamenilor sunt următoarele nanostructuri, cum ar fi fullerene, grafen, nanotuburi de carbon și nanofibre. Toate constau din atomi de carbon legați unul de celălalt, dar forma lor variază semnificativ. Grafenul este un plan, monostrat, „voal” de atomi de carbon din SP 2 hibridizare. Fullerenele sunt poligoane închise, care amintesc oarecum de o minge de fotbal. Nanotuburile sunt corpuri volumetrice cilindrice goale. Nanofibrele pot fi conuri, cilindri, boluri. În munca mea, voi încerca să evidențiez exact nanotuburile și nanofibrele.

Structura nanotuburilor și nanofibrelor

Ce sunt nanotuburile de carbon? Nanotuburile de carbon sunt un material de carbon, care este o structură cilindrică cu un diametru de câțiva nanometri, constând din planuri de grafit laminate într-un tub. Planul grafit este o grilă hexagonală continuă cu atomi de carbon la vârfurile hexagoanelor. Nanotuburile de carbon pot varia în lungime, diametru, chiralitate (simetriile planului de grafit laminat) și numărul de straturi. Chiralitate<#"280" src="/wimg/13/doc_zip1.jpg" />

Nanotuburi cu un singur perete. Nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWCNT) sunt o subspecie de nanofibre de carbon cu o structură formată prin plierea grafenului într-un cilindru cu laturile unite fără cusătură. Rularea grafenului într-un cilindru fără cusătură este posibilă doar într-un număr finit de moduri, care diferă în direcția vectorului bidimensional care conectează două puncte echivalente ale grafenului care coincid atunci când este rulat într-un cilindru. Acest vector se numește vector de chiralitate nanotub de carbon cu un singur strat. Astfel, nanotuburile de carbon cu un singur perete diferă ca diametru și chiralitate. Diametrul nanotuburilor cu un singur perete, conform datelor experimentale, variază de la ~ 0,7 nm la ~ 3-4 nm. Lungimea unui nanotub cu un singur perete poate ajunge la 4 cm. Există trei forme de SWCNT: tip achiral „scaun” (două laturi ale fiecărui hexagon sunt orientate perpendicular pe axa CNT), tip achiral „zigzag” (două laturi ale fiecăruia). hexagonul sunt orientate paralel cu axa CNT) și chirale sau elicoidale (fiecare parte a hexagonului este situată față de axa CNT la un unghi diferit de 0 și 90 º ). Astfel, CNT-urile achirale de tip „fotoliu” sunt caracterizate prin indici (n, n), de tip „zigzag” - (n, 0), chirale - (n, m).

Numărul de straturi într-un MWCNT este cel mai adesea nu mai mult de 10, dar în cazuri individuale ajunge la câteva zeci.

Uneori, printre nanotuburile multistrat, nanotuburile cu două straturi sunt evidențiate ca un tip special. Structura de tip „păpuși ruse” este un set de tuburi cilindrice imbricate coaxial. Un alt tip al acestei structuri este un set de prisme coaxiale imbricate. În cele din urmă, ultima dintre aceste structuri seamănă cu un scroll (scroll). Pentru toate structurile din fig. valoare caracteristică a distanței dintre straturile adiacente de grafen, apropiată de valoarea de 0,34 nm, inerentă distanței dintre planurile adiacente de grafit cristalin<#"128" src="/wimg/13/doc_zip3.jpg" />

Rusă Matryoshka Roll Papier-mache

Nanofibrele de carbon (CNF) sunt o clasă de materiale în care straturile curbate de grafen sau nanoconurile sunt pliate într-un filament unidimensional a cărui structură internă poate fi caracterizată prin unghiul α dintre straturile de grafen și axa fibrei. O distincție comună este între cele două tipuri principale de fibre: Herringbone, cu straturi conice de grafen dens împachetate și α mare și Bamboo, cu straturi cilindrice de grafen asemănătoare cupei și α mici, care sunt mai mult ca nanotuburi de carbon cu pereți multiplu.<#"228" src="/wimg/13/doc_zip4.jpg" />

a - „coloană de monede” din nanofibră;

b - nanofibră „structură pom de Crăciun” (stiva de conuri, „os de pește”);

c - „stiva de cupe” din nanofibre („abajururi de lampă”);

d - nanotub „matryoshka rusă”;

e - nanofibră în formă de bambus;

e - nanofibră cu secțiuni sferice;

g - nanofibră cu secțiuni poliedrice

Separarea într-o subspecie separată nanotuburi de carbon datorită faptului că proprietăţile lor diferă semnificativ în partea mai buna din proprietățile altor tipuri de nanofibre de carbon. Acest lucru se explică prin faptul că stratul de grafen, care formează peretele nanotubului pe toată lungimea sa, are rezistență ridicată la tracțiune, conductivitate termică și electrică. Spre deosebire de aceasta, tranzițiile de la un strat de grafen la altul au loc în nanofibrele de carbon care se deplasează de-a lungul peretelui. Prezența contactelor interstrat și deficiența ridicată a structurii nanofibrelor afectează semnificativ caracteristicile fizice ale acestora.

Poveste

Este dificil să vorbim despre istoria nanotuburilor și nanofibrelor separat, deoarece aceste produse se însoțesc adesea reciproc în timpul sintezei. Una dintre primele date privind producția de nanofibre de carbon este probabil un brevet din 1889 pentru producerea formelor tubulare de carbon formate în timpul pirolizei unui amestec de CH4 și H2 într-un creuzet de fier de către Hughes și Chambers. Au folosit un amestec de metan și hidrogen pentru a crește filamente de carbon prin piroliza gazului, urmată de precipitarea carbonului. A devenit posibil să se vorbească despre obținerea acestor fibre cu siguranță mult mai târziu, când a devenit posibil să se studieze structura lor folosind un microscop electronic. Prima observație a nanofibrelor de carbon folosind microscopia electronică a fost făcută la începutul anilor 1950 de oamenii de știință sovietici Radușkevici și Lukyanovich, care au publicat un articol în Jurnalul Sovietic de Chimie Fizică care arăta fibre goale din grafit de carbon care aveau 50 de nanometri în diametru. La începutul anilor 1970, cercetătorii japonezi Koyama și Endo au reușit să producă fibre de carbon prin depunere de vapori (VGCF) cu un diametru de 1 µm și o lungime mai mare de 1 mm. Mai târziu, la începutul anilor 1980, Tibbets în SUA și Benissad în Franța au continuat să îmbunătățească procesul de fibră de carbon (VGCF). În SUA, cercetări mai aprofundate asupra sintezei și proprietăților acestor materiale pentru aplicație practică, au fost realizate de R. Terry K. Baker și au fost motivate de nevoia de a suprima creșterea nanofibrelor de carbon din cauza problemelor persistente cauzate de acumularea de materiale în diferite procese comerciale, în special în domeniul rafinării petrolului. Prima încercare de comercializare a fibrelor de carbon crescute din faza gazoasă a fost făcută de compania japoneză Nikosso în 1991 sub numele de marcă Grasker, în același an Ijima publicând faimosul său articol în care relatează descoperirea nanotuburilor de carbon.<#"justify">chitanta

În prezent, sunt utilizate în principal sinteze bazate pe piroliza hidrocarburilor și sublimarea și desublimarea grafitului.

• metoda arcului,
• încălzire prin radiație (folosirea concentratoarelor solare sau a radiațiilor laser),
• laser-termic,
• încălzire cu un fascicul de electroni sau ioni,
• sublimare cu plasmă,
• încălzire rezistivă.

Multe dintre aceste opțiuni au propriile lor variante. Ierarhia unor variante ale metodei arcului electric este prezentată în diagramă:

În prezent, cea mai comună metodă este pulverizarea termică a electrozilor de grafit în plasmă cu descărcare cu arc. Procesul de sinteză se realizează într-o cameră umplută cu heliu la o presiune de aproximativ 500 mm Hg. Artă. În timpul arderii plasmei, are loc o evaporare termică intensă a anodului, în timp ce pe suprafața de capăt a catodului se formează un depozit, în care se formează nanotuburi de carbon. Numărul maxim de nanotuburi se formează atunci când curentul de plasmă este minim și densitatea acestuia este de aproximativ 100 A/cm2. În configurațiile experimentale, tensiunea dintre electrozi este de aproximativ 15–25 V, curentul de descărcare este de câteva zeci de amperi, iar distanța dintre capetele electrozilor de grafit este de 1–2 mm. În timpul procesului de sinteză, aproximativ 90% din masa anodului este depusă pe catod. Numeroasele nanotuburi rezultate au o lungime de aproximativ 40 μm. Ele cresc pe catod perpendicular pe suprafața plană a capătului său și sunt colectate în grinzi cilindrice cu un diametru de aproximativ 50 μm.

Mănunchiurile de nanotuburi acoperă în mod regulat suprafața catodului, formând o structură de tip fagure. Conținutul de nanotuburi din depozitul de carbon este de aproximativ 60%. Pentru a separa componentele, precipitatul rezultat este plasat în metanol și sonicat. Rezultă o suspensie care, după adăugarea de apă, este supusă separării într-o centrifugă. Particulele mari aderă de pereții centrifugei, în timp ce nanotuburile rămân plutitoare în suspensie. Apoi nanotuburile sunt spălate în acid azotic și uscate într-un flux gazos de oxigen și hidrogen în raport de 1:4 la o temperatură de 750°C. 0C timp de 5 minute. În urma unei astfel de prelucrări, se obține un material ușor poros, format din numeroase nanotuburi cu un diametru mediu de 20 nm și o lungime de 10 μm. Până în prezent, lungimea maximă a nanofibrelor realizată este de 1 cm.

Piroliza hidrocarburilor

În ceea ce privește alegerea reactanților inițiali și a metodelor de conducere a proceselor, acest grup are un număr semnificativ mai mare de opțiuni decât metodele de sublimare și desublimare a grafitului. Oferă un control mai precis asupra procesului de formare a CNT, este mai potrivit pentru producția la scară largă și permite producerea nu numai a nanomaterialelor de carbon în sine, ci și a anumitor structuri pe substraturi, fibre macroscopice constând din nanotuburi, precum și materiale compozite, în special, modificate cu carbon CNT, fibre de carbon și hârtie de carbon, compozite ceramice. Folosind litografia nanosferică recent dezvoltată, a fost posibilă obținerea de cristale fotonice din CNT-uri. În acest fel, este posibilă izolarea CNT-urilor de un anumit diametru și lungime.

Avantajele metodei pirolitice includ, în plus, posibilitatea implementării acesteia pentru sinteza matricei, de exemplu, folosind membrane poroase de alumină sau site moleculare. Folosind oxid de aluminiu, este posibil să se obțină CNT-uri ramificate și membrane CNT. Principalele dezavantaje ale metodei matricei sunt costul ridicat al multor matrice, dimensiunea redusă a acestora și necesitatea de a folosi reactivi activi și condiții dure pentru dizolvarea matricelor.

Piroliza a trei hidrocarburi, metan, acetilenă și benzen, precum și descompunerea termică (disproporționarea) CO sunt cel mai adesea utilizate pentru sinteza CNT-urilor și CNF-urilor. Metanul, ca și monoxidul de carbon, nu este predispus la descompunere la temperaturi scăzute (descompunerea necatalitică a metanului începe la ~900 O C), ceea ce face posibilă sintetizarea SWCNT-urilor cu o cantitate relativ mică de impurități de carbon amorf. Monoxidul de carbon nu se descompune la temperaturi scăzute din alt motiv: cinetic. Diferența de comportament a diferitelor substanțe este vizibilă în Fig. 94.

Avantajele metanului față de alte hidrocarburi și monoxid de carbon includ faptul că piroliza acestuia cu formarea de CNT sau CNF este combinată cu eliberarea de H. 2și poate fi folosit în producțiile existente N 2.

Catalizatori

Catalizatorii pentru formarea CNT-urilor și CNF-urilor sunt Fe, Co și Ni; promotorii, care sunt introduși în cantități mai mici, sunt în principal Mo, W sau Cr (mai rar - V, Mn, Pt și Pd), purtătorii de catalizator sunt oxizi și hidroxizi nevolatili ai metalelor (Mg, Ca, Al, La, Si , Ti, Zr), soluții solide, unele săruri și minerale (carbonați, spineluri, perovskiți, hidrotalcit, argile naturale, diatomite), site moleculare (în special, zeoliți), silicagel, aerogel, gel de aluminiu, Si poros și C amorf În același timp, V, Cr, Mo, W, Mn și, probabil, alte metale în condiții de piroliză sunt sub formă de compuși - oxizi, carburi, metalați etc.

Metale nobile (Pd, Ru, PdSe), aliaje (mischmetal, permalloy, nicrom, monel, oțel inoxidabil, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-C, Co-Fe-Ni, aliaj dur Co-WC etc.), CoSi 2și CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mischmetal), aliaje de Zr și alte metale care formează hidrură. Dimpotrivă, Au și Ag inhibă formarea CNT-urilor.

Catalizatorii pot fi depuși pe siliciu acoperit cu o peliculă subțire de oxid, pe germaniu, pe unele tipuri de sticlă și pe substraturi din alte materiale.

Siliciul poros obținut prin gravarea electrochimică a siliciului monocristal într-o soluție cu o anumită compoziție este considerat a fi un purtător de catalizator ideal. Siliciul poros poate conține micropori (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100 nm). Pentru obținerea catalizatorilor se folosesc metode tradiționale:

• amestecarea (mai rar sinterizarea) pulberilor;
• depunerea sau depunerea electrochimică a metalelor pe un substrat, urmată de transformarea unui film subțire continuu în insule de nanodimensionare (se folosește și depunerea strat cu strat a mai multor metale;
• depuneri chimice de vapori;
• scufundarea substratului în soluție;
• aplicarea unei suspensii de particule de catalizator pe un substrat;
• aplicarea soluției pe un substrat rotativ;
• impregnarea pulberilor inerte cu săruri;
• coprecipitarea oxizilor sau hidroxizilor;
• schimb de ioni;
• metode coloidale (proces sol-gel, metoda micelelor inverse);
• descompunerea termică a sărurilor;
• arderea nitraților metalici.

Pe lângă cele două grupuri descrise mai sus, au fost dezvoltate un număr mare de alte metode pentru obținerea CNT-urilor. Ele pot fi clasificate în funcție de sursele de carbon utilizate. Compușii de pornire sunt: ​​grafitul și alte forme de carbon solid, compuși organici, compuși anorganici, compuși organometalici. Grafitul poate fi transformat în CNT-uri în mai multe moduri: prin măcinare intensă cu bile urmată de recoacere la temperatură înaltă; electroliza sărurilor topite; împărțirea în foi de grafen separate și răsucirea spontană ulterioară a acestor foi. Carbonul amorf poate fi transformat în CNT atunci când este procesat în condiții hidrotermale. CNT-urile au fost obținute din negru de fum (funingine) prin transformare la temperatură înaltă cu sau fără catalizatori, precum și prin interacțiunea cu vaporii de apă sub presiune. Structurile nanotubulare sunt conținute în produsele de recoacere în vid (1000 O C) filme de carbon asemănător diamantului în prezența unui catalizator. În cele din urmă, transformarea catalitică la temperatură înaltă a fulleritei C 60sau tratarea lui în condiţii hidrotermale duce şi la formarea CNT-urilor.

Nanotuburile de carbon există în natură. Un grup de cercetători mexicani le-au găsit în probe de ulei prelevate de la o adâncime de 5,6 km (Velasco-Santos, 2003). Diametrul CNT a variat de la câțiva nanometri la zeci de nanometri, iar lungimea a ajuns la 2 μm. Unele dintre ele au fost umplute cu diferite nanoparticule.

Purificarea nanotuburilor de carbon

Niciuna dintre metodele obișnuite de obținere a CNT-urilor nu permite să fie izolate în forma lor pură. Impuritățile pentru NT pot fi fulerene, carbon amorf, particule grafitizate, particule de catalizator.

1. distructiv,
2. nedistructiv,
3. combinate.

Metodele distructive folosesc reacții chimice, care pot fi oxidative sau reductive și se bazează pe diferențele de reactivitate a diferitelor forme de carbon. Pentru oxidare se folosesc fie soluții de agenți oxidanți, fie reactivi gazoși; pentru reducere se folosește hidrogen. Metodele fac posibilă izolarea CNT-urilor de înaltă puritate, dar sunt asociate cu pierderea tuburilor.

Metodele nedistructive includ extracția, flocularea și precipitarea selectivă, microfiltrarea în flux încrucișat, cromatografia de excludere, electroforeza, reacția selectivă cu polimeri organici. De regulă, aceste metode sunt ineficiente și ineficiente.

Proprietățile nanotuburilor de carbon

Mecanic. Nanotuburile, după cum s-a spus, sunt un material extrem de puternic, atât la tensiune, cât și la îndoire. Mai mult, sub acțiunea solicitărilor mecanice care le depășesc pe cele critice, nanotuburile nu se „rup”, ci sunt rearanjate. Pe baza unei proprietăți a nanotuburilor precum rezistența ridicată, se poate argumenta că sunt cel mai bun material pentru un cablu de lift spațial în acest moment. După cum arată rezultatele experimentelor și simulare numerica, modulul Young al unui nanotub cu un singur strat atinge valori de ordinul 1-5 TPa, care este cu un ordin de mărime mai mare decât cel al oțelului. Graficul de mai jos arată o comparație între un nanotub cu un singur perete și oțel de înaltă rezistență.

1 2

Cablul ascensorului spațial este estimat să reziste la o solicitare mecanică de 62,5 GPa

Diagrama de tracțiune (dependența tensiunii mecanice σ din alungire ε)

Pentru a demonstra diferența semnificativă dintre cele mai durabile pe acest moment materiale și nanotuburi de carbon, să facem următorul experiment de gândire. Imaginați-vă că, așa cum sa presupus mai devreme, o anumită structură omogenă în formă de pană, constând din cele mai durabile materiale până în prezent, va servi drept cablu pentru un ascensor spațial, apoi diametrul cablului la GEO (orbita geostaționară a Pământului) va fi de aproximativ 2 km și se va îngusta la 1 mm la suprafața Pământului. În acest caz, masa totală va fi de 60 * 1010 tone. Dacă s-au folosit nanotuburi de carbon ca material, atunci diametrul cablului la GEO a fost de 0,26 mm și 0,15 mm la suprafața Pământului și, prin urmare, masa totală a fost de 9,2 tone. După cum se poate observa din faptele de mai sus, nanofibră de carbon este exact materialul care este necesar pentru a construi un cablu, al cărui diametru real va fi de aproximativ 0,75 m, pentru a rezista și la sistemul electromagnetic folosit pentru propulsarea vagonului liftului spațial.

Electric. Datorită dimensiunii reduse a nanotuburilor de carbon, abia în 1996 a fost posibilă măsurarea directă a rezistivității lor electrice folosind o metodă cu patru dinte.

Benzi de aur au fost depuse pe o suprafață lustruită de oxid de siliciu în vid. Între ele au fost depuse nanotuburi lungi de 2–3 µm. Apoi, pe unul dintre nanotuburile alese pentru măsurare au fost depuse patru conductori de wolfram cu grosimea de 80 nm. Fiecare dintre conductorii de wolfram avea contact cu una dintre benzile de aur. Distanța dintre contactele de pe nanotub a fost de la 0,3 la 1 μm. Rezultatele măsurătorilor directe au arătat că rezistivitatea nanotuburilor poate varia într-un interval semnificativ - de la 5,1 * 10 -6până la 0,8 ohmi/cm. Rezistivitatea minimă este cu un ordin de mărime mai mică decât cea a grafitului. Majoritatea nanotuburilor au conductivitate metalică, în timp ce partea mai mică prezintă proprietățile unui semiconductor cu o bandă interzisă de 0,1 până la 0,3 eV.

Cercetătorii francezi și ruși (de la IPTM RAS, Chernogolovka) au descoperit o altă proprietate a nanotuburilor, care este supraconductivitatea. Ei au măsurat caracteristicile curent-tensiune ale unui nanotub individual cu un singur perete cu un diametru de ~ 1 nm, rulat într-un pachet de un număr mare de nanotuburi cu un singur perete, precum și nanotuburi multistrat individuale. Un curent supraconductor la o temperatură apropiată de 4K a fost observat între două contacte metalice supraconductoare. Caracteristicile transferului de sarcină într-un nanotub diferă în esență de cele care sunt inerente conductoarelor obișnuite, tridimensionale și, aparent, sunt explicate prin natura unidimensională a transferului.

A găsit și de Geer de la Universitatea din Lausanne (Elveția). proprietate interesantă: o schimbare bruscă (aproximativ două ordine de mărime) a conductibilității cu o îndoire ușoară, cu 5-10°, a unui nanotub cu un singur strat. Această proprietate poate extinde domeniul de aplicare al nanotuburilor. Pe de o parte, nanotubul se dovedește a fi un convertor extrem de sensibil de vibrații mecanice într-un semnal electric și invers (de fapt, este un receptor telefonic de câțiva microni lungime și aproximativ un nanometru în diametru) și , in schimb, este un senzor practic gata de fabricatie al celor mai mici deformatii. Un astfel de senzor ar putea fi utilizat în dispozitivele care monitorizează starea componentelor mecanice și a pieselor de care depinde siguranța oamenilor, de exemplu, pasagerii trenurilor și avioanelor, personalul centralelor nucleare și termice etc.

Capilar. Experimentele au arătat că un nanotub deschis are proprietăți capilare. Pentru a deschide un nanotub, este necesar să îndepărtați partea superioară - capacul. O modalitate de îndepărtare este să recoaceți nanotuburile la o temperatură de 850°C 0C timp de câteva ore într-un curent de dioxid de carbon. Ca rezultat al oxidării, aproximativ 10% din toate nanotuburile sunt deschise. O altă modalitate de a distruge capetele închise ale nanotuburilor este expunerea la acid azotic concentrat timp de 4,5 ore la o temperatură de 2400 C. Ca urmare a acestui tratament, 80% din nanotuburi devin deschise.

Primele studii ale fenomenelor capilare au arătat că un lichid pătrunde în canalul de nanotuburi dacă tensiunea sa superficială nu este mai mare de 200 mN/m. Prin urmare, pentru a introduce orice substanță în nanotuburi, se folosesc solvenți cu o tensiune superficială scăzută. De exemplu, acidul azotic concentrat, a cărui tensiune superficială este scăzută (43 mN/m), este utilizat pentru a introduce anumite metale în canalul de nanotuburi. Apoi se efectuează recoacere la 4000 C timp de 4 ore în atmosferă de hidrogen, ceea ce duce la reducerea metalului. În acest fel, s-au obținut nanotuburi care conțin nichel, cobalt și fier.

Alături de metale, nanotuburile de carbon pot fi umplute cu substanțe gazoase, cum ar fi hidrogenul molecular. Această capacitate este de importanță practică, deoarece deschide posibilitatea stocării în siguranță a hidrogenului, care poate fi folosit ca combustibil ecologic în motoarele cu ardere internă. De asemenea, oamenii de știință au reușit să plaseze în interiorul nanotubului un întreg lanț de fulerene cu atomi de gadoliniu deja încorporați în ele. (vezi Fig.5).

Orez. 5. În interiorul C60 în interiorul unui nanotub cu un singur perete

Efecte capilare și umplerea nanotuburilor

arc electric de piroliză de carbon de nanotuburi

Fenomenele capilare din nanotuburile de carbon au fost efectuate pentru prima dată experimental într-o lucrare în care a fost observat efectul retragerii capilare a plumbului topit în nanotuburi. În acest experiment, s-a aprins un arc electric destinat sintezei nanotuburilor între electrozi cu diametrul de 0,8 și lungimea de 15 cm la o tensiune de 30 V și un curent de 180–200 A. Un strat de material 3–4 cm înălțime formată pe suprafața catodului ca urmare a distrugerii termice a suprafeței anodului a fost îndepărtată din cameră și menținută timp de 5 ore la T = 850°C într-un flux de dioxid de carbon. Această operație, în urma căreia proba a pierdut aproximativ 10% din masă, a contribuit la purificarea probei din particule de grafit amorf și la descoperirea nanotuburilor în precipitat. Partea centrală a precipitatului care conține nanotuburi a fost plasată în etanol și sonicată. Produsul de oxidare dispersat în cloroform a fost aplicat pe o bandă de carbon cu găuri pentru observare cu un microscop electronic. După cum au arătat observațiile, tuburile care nu au fost supuse procesării aveau o structură fără sudură, capete de forma corectă și un diametru de 0,8 până la 10 nm. Ca urmare a oxidării, aproximativ 10% dintre nanotuburi s-au dovedit a avea capace deteriorate, iar unele dintre straturile din apropierea vârfului au fost rupte. O probă care conținea nanotuburi destinate observării a fost umplută în vid cu picături de plumb topit, care au fost obținute prin iradierea unei suprafețe metalice cu un fascicul de electroni. În acest caz, pe suprafața exterioară a nanotuburilor au fost observate picături de plumb de 1 până la 15 nm. Nanotuburile au fost recoapte în aer la Т = 400°С (peste punctul de topire al plumbului) timp de 30 min. După cum arată rezultatele observațiilor făcute cu ajutorul unui microscop electronic, după recoacere, unele dintre nanotuburi s-au dovedit a fi umplute cu un material solid. Un efect similar de umplere a nanotuburilor a fost observat la iradierea capetelor tuburilor deschise ca rezultat al recoacerii cu un fascicul de electroni puternic. Cu o iradiere suficient de puternică, materialul din apropierea capătului deschis al tubului se topește și pătrunde în interior. Prezența plumbului în interiorul tuburilor a fost stabilită prin difracție de raze X și spectroscopie electronică. Diametrul celui mai subțire fir de plumb a fost de 1,5 nm. Conform rezultatelor observațiilor, numărul de nanotuburi umplute nu a depășit 1%.

Nanotuburile de carbon sunt viitorul tehnologiilor inovatoare. Producția și introducerea nanotubulenelor va îmbunătăți calitatea mărfurilor și produselor, reducându-le semnificativ greutatea și sporind rezistența, precum și dotându-le cu noi caracteristici.

Nanotuburile de carbon sau nanostructura tubulară (nanotubulene) sunt structuri cilindrice goale cu un singur pereți sau multi pereți create artificial în laborator, obținute din atomi de carbon și având proprietăți mecanice, electrice și fizice excepționale.

Nanotuburile de carbon sunt fabricate din atomi de carbon și au formă de tuburi sau cilindri. Sunt foarte mici (la scară nanometrică), cu un diametru de la unu până la câteva zeci de nanometri și o lungime de până la câțiva centimetri. Nanotuburile de carbon sunt compuse din grafit, dar au alte caracteristici care nu sunt caracteristice grafitului. Ele nu există în natură. Originea lor este artificială. Corpul nanotuburilor este sintetic, creat de oameni independent de la început până la sfârșit.

Dacă te uiți la un nanotub mărit de un milion de ori, poți vedea un cilindru alungit format din hexagoane echilaterale cu atomi de carbon la vârfurile lor. Acesta este un avion de grafit rulat într-un tub. Chiralitatea unui nanotub determină caracteristicile și proprietățile sale fizice.

Mărit de un milion de ori, un nanotub este un cilindru alungit format din hexagoane echilaterale cu atomi de carbon la vârfurile lor. Acesta este un avion de grafit rulat într-un tub.

Chiralitatea este proprietatea unei molecule de a nu coincide în spațiu cu imaginea în oglindă.

Mai clar, chiralitatea este atunci când îndoiți, de exemplu, o coală de hârtie uniform. Dacă este oblic, atunci aceasta este deja akhiralitate. Nanotubulenele pot avea structuri cu un singur strat și mai multe straturi. O structură multistrat nu este altceva decât mai multe nanotuburi cu un singur strat „îmbrăcate” unul la unul.

Istoria descoperirilor

Data exactă a descoperirii nanotuburilor și descoperitorul lor sunt necunoscute. Acest subiect este aliment pentru dezbatere și raționament, deoarece există multe descrieri paralele ale acestor structuri de către oamenii de știință din tari diferite. Principala dificultate în identificarea descoperitorului constă în faptul că nanotuburile și nanofibrele, care se încadrează în câmpul de vedere al oamenilor de știință, nu le-au atras atenția atentă mult timp și nu au fost studiate cu atenție. Existent munca stiintifica să demonstreze că posibilitatea creării de nanotuburi și fibre din materiale care conțin carbon a fost teoretic permisă în a doua jumătate a secolului trecut.

Motivul principal pentru care nu s-au efectuat studii serioase ale compușilor de carbon microni pentru o lungă perioadă de timp este că la acea vreme oamenii de știință nu aveau o bază științifică suficient de puternică pentru cercetare, și anume, nu existau echipamente capabile să extindă obiectul de studiu la nivelul întinderea necesară și structura lor translucide .

Dacă aranjam evenimentele în studiul compușilor de nanocarbon în ordine cronologică, atunci primele dovezi cade în 1952, când oamenii de știință sovietici Radushkevich și Lukyanovich au atras atenția asupra structurii nanofibroase formate în timpul descompunerii termice a monoxidului de carbon (numele rusesc este oxid). ). Structura observată cu ajutorul echipamentului de microscop electronic avea fibre cu un diametru de aproximativ 100 nm. Din păcate, lucrurile nu au mers mai departe decât repararea unei nanostructuri neobișnuite și nu a urmat nicio cercetare ulterioară.

După 25 de ani de uitare, din 1974, încep să ajungă în ziare informații despre existența structurilor tubulare micronice din carbon. Deci, un grup de oameni de știință japonezi (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) în timpul cercetărilor din 1974-1975. au prezentat publicului larg rezultatele unui număr de studii ale acestora, care conțineau o descriere a tuburilor subțiri cu un diametru mai mic de 100 Å, care au fost obținute din vapori în timpul condensării. De asemenea, formarea structurilor goale cu o descriere a structurii și mecanismului de formare obținut în studiul proprietăților carbonului a fost descrisă de oamenii de știință sovietici ai Institutului de cataliză al filialei siberiei a Academiei de Științe a URSS în 1977.

Å (Agström) - o unitate de măsură a distanțelor, egală cu 10−10 m. În sistemul SI, o unitate apropiată ca valoare de angstrom este un nanometru (1 nm = 10 Å).

Fulerenele sunt molecule goale, sferice, sub formă de minge sau minge de rugby.

Fulerenele sunt a patra modificare, necunoscută anterior, a carbonului, descoperită de chimistul și astrofizicianul englez Harold Kroto.

Și numai după ce a folosit cele mai noi echipamente în cercetarea lor științifică, care le permite să examineze în detaliu și să strălucească prin structura de carbon a nanotuburilor, omul de știință japonez Sumio Iijima a efectuat prima cercetare serioasă în 1991, în urma căreia nanotuburile de carbon au fost experimentale. obţinute şi studiate în detaliu. .

În cercetările sale, profesorul Ijima a expus grafitul pulverizat la o descărcare de arc electric pentru a obține un prototip. Prototipul a fost măsurat cu atenție. Dimensiunile sale au arătat că diametrul filamentelor (carcasei) nu depășește câțiva nanometri, cu o lungime de la unu la câțiva microni. Studiind structura unui nanotub de carbon, oamenii de știință au descoperit că obiectul studiat poate avea de la unul la mai multe straturi, constând dintr-o grilă hexagonală de grafit bazată pe hexagoane. În acest caz, capetele nanotuburilor seamănă structural cu o jumătate dintr-o moleculă de fullerenă tăiată în două.

La momentul studiilor de mai sus, existau deja lucrări ale unor oameni de știință atât de cunoscuți în domeniul lor precum Jones, L.A. Cernozatonsky, M.Yu. Kornilov, prezicând posibilitatea formării acestei forme alotropice de carbon, descriind structura, proprietățile fizice, chimice și alte proprietăți ale acesteia.

Structura multistrat a unui nanotub nu este altceva decât mai multe nanotubuli cu un singur strat, „îmbrăcați” unul la unul, conform principiului păpușilor rusești.

Proprietăți electrofizice

Proprietățile electrofizice ale nanotuburilor de carbon se află sub cel mai atent control de către comunitățile științifice din întreaga lume. Prin proiectarea nanotuburilor în anumite rapoarte geometrice, este posibil să le conferim proprietăți conductoare sau semiconductoare. De exemplu, diamantul și grafitul sunt ambele carbon, dar din cauza diferențelor de structură moleculară, au proprietăți diferite și, în unele cazuri, opuse. Astfel de nanotuburi sunt numite metalice sau semiconductoare.

Nanotuburile care conduc electricitatea chiar și la temperaturi absolut zero sunt metalice. Conductivitatea zero a curentului electric la zero absolut, care crește odată cu creșterea temperaturii, indică semnul distinctiv al unei nanostructuri semiconductoare.

Clasificarea principală este distribuită în funcție de metoda de pliere a planului de grafit. Metoda de pliere este indicată de două numere: „m” și „n”, care stabilesc direcția de pliere de-a lungul vectorilor rețelei de grafit. Proprietățile nanotuburilor depind de geometria plierii planului de grafit, de exemplu, unghiul de răsucire afectează direct proprietățile lor electrofizice.

În funcție de parametri (n, m), nanotuburile pot fi: drepte (achirale), zimțate („fotoliu”), în zig-zag și elicoidale (chirale). Pentru calcularea și planificarea conductibilității electrice, se utilizează formula pentru raportul parametrilor: (n-m) / 3.

Un număr întreg obținut în calcul indică conductivitatea unui nanotub de tip metalic, iar un număr fracționar indică un tip de semiconductor. De exemplu, toate tuburile de tip „scaun” sunt metalice. Nanotuburile de carbon de tip metalic conduc curentul electric la zero absolut. Nanotubulenele de tip semiconductor au conductivitate zero la zero absolut, care crește odată cu creșterea temperaturii.

Nanotuburile cu un tip metalic de conductivitate pot transmite aproximativ un miliard de amperi pe centimetru pătrat. Cuprul, fiind unul dintre cei mai buni conductori metalici, este inferior nanotuburilor în acești indicatori de mai mult de o mie de ori. Când limita de conductivitate este depășită, are loc încălzirea, care este însoțită de topirea materialului și distrugerea rețelei moleculare. Acest lucru nu se întâmplă cu nanotubulene în condiții egale. Acest lucru se datorează conductivității lor termice foarte ridicate, care este de două ori mai mare decât a diamantului.

În ceea ce privește rezistența, nanotubulena lasă și alte materiale mult în urmă. Este de 5-10 ori mai puternic decât cele mai puternice aliaje de oțel (1,28-1,8 TPa în modulul Young) și are o elasticitate de 100 de mii de ori mai mare decât cauciucul. Dacă comparăm indicatorii de rezistență la tracțiune, atunci aceștia depășesc caracteristicile de rezistență similare ale oțelului de înaltă calitate de 20-22 de ori!

Cum să obțineți ONU

Nanotuburile sunt obținute prin metode la temperatură înaltă și la temperatură scăzută.

Metodele la temperatură ridicată includ ablația cu laser, tehnologia solară sau descărcarea cu arc electric. Metoda la temperatură joasă a încorporat depunerea chimică în vapori folosind descompunerea catalitică a hidrocarburilor, creșterea catalitică în fază gazoasă din monoxid de carbon, producția prin electroliză, tratamentul termic cu polimer, piroliza locală la temperatură joasă sau cataliză locală. Toate metodele sunt greu de înțeles, de înaltă tehnologie și foarte costisitoare. Producția de nanotuburi poate fi asigurată doar de o întreprindere mare cu o bază științifică puternică.

Simplificat, procesul de obținere a nanotuburilor din carbon prin metoda arcului este următorul:

O plasmă în stare gazoasă este introdusă într-un reactor încălzit la o anumită temperatură cu circuit închis printr-un aparat de injecție. În reactor, în părțile superioare și inferioare, sunt instalate bobine magnetice, dintre care una este anodul și cealaltă catodul. Bobinele magnetice sunt alimentate cu un curent electric constant. Plasma din reactor este afectată de un arc electric, care este rotit și de un câmp magnetic. Sub acțiunea unui arc de electroplasmă la temperatură înaltă de la suprafața anodului, care constă dintr-un material care conține carbon (grafit), carbonul se evaporă sau „se desprinde” și se condensează pe catod sub formă de nanotuburi de carbon conținute în precipitat. Pentru ca atomii de carbon să se poată condensa pe catod, temperatura din reactor este scăzută. Chiar și o scurtă descriere a acestei tehnologii face posibilă evaluarea complexității și costului obținerii nanotubulenelor. Va trece mult timp până când procesul de producție și aplicare devine disponibil pentru majoritatea întreprinderilor.

Galerie foto: Schemă și echipamente pentru obținerea nanotuburilor din carbon

Instalatie pentru sinteza nanotuburilor de carbon cu un singur perete prin metoda arcului electric Instalatie stiintifica de mica putere pentru obtinerea unei nanostructuri tubulare
Metoda de producție la temperaturi scăzute

Instalație pentru producția de nanotuburi lungi de carbon

Sunt toxice?

Categoric da.

În curs cercetare de laborator oamenii de știință au ajuns la concluzia că nanotuburile de carbon au un efect negativ asupra organismelor vii. Acest lucru, la rândul său, confirmă toxicitatea nanotuburilor și este din ce în ce mai puțin necesar ca oamenii de știință să se îndoiască de această problemă importantă.

Studiile au arătat că interacțiunea directă a nanotuburilor de carbon cu celulele vii duce la moartea acestora. În special nanotuburile cu un singur perete au activitate antimicrobiană puternică. Oamenii de știință au început să efectueze experimente pe o cultură comună a regnului bacteriilor (E. coli) E-Coli. În procesul de cercetare s-au folosit nanotuburi cu un singur strat cu un diametru de 0,75 până la 1,2 nanometri. După cum au arătat experimentele, ca urmare a impactului nanotuburilor de carbon asupra unei celule vii, pereții celulari (membranele) sunt deteriorați mecanic.

Nanotuburile obținute prin alte metode conțin o cantitate mare de metale și alte impurități toxice. Mulți oameni de știință presupun că însăși toxicitatea nanotuburilor de carbon nu depinde de morfologia lor, ci este direct legată de impuritățile conținute în ele (nanotuburi). Cu toate acestea, lucrările efectuate de oamenii de știință de la Yale în domeniul cercetării nanotuburilor au arătat o reprezentare eronată a multor comunități. Astfel, bacteriile de Escherichia coli (E-Coli) aflate în proces de cercetare au fost supuse tratamentului cu nanotuburi de carbon cu un singur perete timp de o oră. Ca urmare, majoritatea E-Coli au murit. Aceste studii în domeniul nanomaterialelor au confirmat toxicitatea și impactul negativ al acestora asupra organismelor vii.

Oamenii de știință au ajuns la concluzia că nanotuburile cu un singur perete sunt cele mai periculoase, acest lucru se datorează raportului proporțional dintre lungimea unui nanotub de carbon și diametrul său.

Diverse studii privind efectul nanotuburilor de carbon asupra organismului uman au condus oamenii de știință la concluzia că efectul este identic, ca și în cazul fibrelor de azbest care intră în organism. Gradul de impact negativ al fibrelor de azbest depinde direct de dimensiunea acestora: cu cât este mai mic, cu atât impactul negativ este mai puternic. Și în cazul nanotuburilor de carbon, nu există nicio îndoială cu privire la efectul lor negativ asupra organismului. Intrând în corp cu aer, nanotubul se instalează prin pleura în piept, provocând astfel complicații grave, în special, tumori canceroase. Dacă pătrunderea nanotubulenelor în organism are loc prin intermediul alimentelor, acestea se așează pe pereții stomacului și intestinelor, provocând diverse boli și complicații.

În prezent, oamenii de știință efectuează cercetări privind compatibilitatea biologică a nanomaterialelor și căutarea de noi tehnologii pentru producerea în siguranță a nanotuburilor de carbon.

perspective

Nanotuburile de carbon ocupă o gamă largă de aplicații. Acest lucru se datorează faptului că au o structură moleculară sub formă de cadru, permițându-le astfel să aibă proprietăți care diferă de cele ale diamantului sau grafitului. Tocmai datorită caracteristicilor lor distinctive (rezistență, conductivitate, îndoire) nanotuburile de carbon sunt folosite mai des decât alte materiale.

Această invenție a carbonului este utilizată în electronică, optică, inginerie mecanică etc. Nanotuburile de carbon sunt utilizate ca aditivi la diferiți polimeri și compozite pentru a spori rezistența compușilor moleculari. La urma urmei, toată lumea știe că rețeaua moleculară a compușilor de carbon are o putere incredibilă, mai ales în forma sa pură.

Nanotuburile de carbon sunt, de asemenea, utilizate în producția de condensatoare și diferite tipuri de senzori, anozi, care sunt necesari pentru fabricarea bateriilor, ca absorbant de unde electromagnetice. Acest compus de carbon și-a găsit o largă aplicație în domeniul fabricării rețelelor de telecomunicații și a afișajelor cu cristale lichide. De asemenea, nanotuburile sunt folosite ca amplificator al proprietăților catalitice în producția de dispozitive de iluminat.

Aplicație comercială

Piaţă	Aplicație	Proprietăți ale compozițiilor pe bază de nanotuburi de carbon
Mașini	Piese ale sistemului de combustibil și conducte de combustibil (conectori, piese pompe, inele O, tuburi), externe parti ale corpului pentru electrovopsire (barele de protecție, carcase oglinzi, capace rezervor de combustibil)	Echilibru îmbunătățit al proprietăților în comparație cu negrul de fum, reciclabilitate pentru piesele mari, rezistență la deformare
Electronică	Instrumente și echipamente tehnologice, casete pentru napolitane, benzi transportoare, backplane, echipamente pentru cameră curată	Puritate îmbunătățită a amestecurilor în comparație cu fibrele de carbon, controlul rezistivității suprafeței, lucrabilitatea pentru turnarea pieselor subțiri, rezistența la deformare, echilibrul proprietăților, posibilități alternative ale amestecurilor de plastic față de fibrele de carbon

Nanotuburile de carbon nu sunt limitate la un anumit domeniu de utilizare diverse industrii industrie. Materialul a fost inventat relativ recent și, în acest sens, este utilizat în prezent pe scară largă în dezvoltarea și cercetarea științifică în multe țări ale lumii. Acest lucru este necesar pentru un studiu mai detaliat al proprietăților și caracteristicilor nanotuburilor de carbon, precum și pentru stabilirea unei producții la scară largă a materialului, deoarece în prezent ocupă o poziție destul de slabă pe piață.

Nanotuburile de carbon sunt folosite pentru a răci microprocesoarele.

Datorită proprietăților lor conductoare bune, utilizarea nanotuburilor de carbon în inginerie mecanică ocupă o gamă largă. Acest material este folosit ca dispozitive pentru răcirea agregatelor cu dimensiuni masive. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că nanotuburile de carbon au o conductivitate termică specifică ridicată.

Utilizarea nanotuburilor în dezvoltarea tehnologiei informatice joacă un rol important în industria electronică. Datorită utilizării acestui material, s-a stabilit producția pentru fabricarea de afișaje destul de plate. Acest lucru contribuie la producerea de echipamente computerizate compacte, dar, în același timp, caracteristicile tehnice ale calculatoarelor electronice nu se pierd, ci chiar cresc. Utilizarea nanotuburilor de carbon în dezvoltarea tehnologiei informatice și a industriei electronice va face posibilă realizarea unor echipamente care vor fi de multe ori superioare specificatii tehnice omologii actuali. Pe baza acestor studii, sunt deja create kinescoape de înaltă tensiune.

Primul procesor de nanotuburi de carbon

Probleme de utilizare

Una dintre problemele cu utilizarea nanotuburilor este impactul negativ asupra organismelor vii, ceea ce pune la îndoială utilizarea acestui material în medicină. Unii dintre experți sugerează că pot exista riscuri neapreciate în procesul de producție în masă a nanotuburilor de carbon. Adică, ca urmare a extinderii domeniului de aplicare a nanotuburilor, va fi nevoie de producția lor pe scară largă și, în consecință, va exista o amenințare pentru mediu.

Oamenii de știință propun să caute modalități de a rezolva această problemă prin aplicarea unor metode și metode mai ecologice pentru producerea de nanotuburi de carbon. De asemenea, sa sugerat ca producătorii acestui material să adopte o abordare serioasă a problemei „curățării” consecințelor procesului CVD, care, la rândul său, poate afecta creșterea costului produselor.

Fotografie cu impactul negativ al nanotuburilor asupra celulelor a) celule de Escherichia coli înainte de expunerea la nanotuburi; b) celulele după expunerea la nanotuburi

În lumea modernă, nanotuburile de carbon au o contribuție semnificativă la dezvoltarea tehnologiilor inovatoare. Experții dau prognoze pentru o creștere a producției de nanotuburi în următorii ani și o scădere a prețurilor la aceste produse. Acest lucru, la rândul său, va extinde domeniul de aplicare al nanotuburilor și va crește cererea consumatorilor de pe piață.

Proprietarii brevetului RU 2430879:

Invenția se referă la nanotehnologie și poate fi utilizată ca componentă a materialelor compozite. Nanotuburile de carbon multistrat sunt obținute prin piroliza hidrocarburilor folosind catalizatori care conțin ingrediente active Fe, Co, Ni, Mo, Mn și combinațiile lor, precum și Al203, MgO, CaCO3 ca purtători. Nanotuburile rezultate sunt purificate prin fierbere într-o soluție de acid clorhidric urmată de spălare cu apă. După tratarea cu acid, încălzirea se efectuează într-un curent de argon de înaltă puritate într-un cuptor cu un gradient de temperatură. În zona de lucru a cuptorului, temperatura este de 2200-2800°C. La marginile cuptorului, temperatura este de 900-1000°C. EFECT: invenția face posibilă obținerea de nanotuburi multistrat cu un conținut de impurități metalice mai mic de 1 ppm. 3 w.p. f-ly, 9 ill., 3 tab.

Invenția se referă la producerea de nanotuburi de carbon multistrat de înaltă puritate (MWNT) cu un conținut de impurități metalice mai mic de 1 ppm, care pot fi utilizate ca componente ale materialelor compozite în diverse scopuri.

Pentru producerea în masă a MWCNT-urilor sunt utilizate metode bazate pe piroliza hidrocarburilor sau a monoxidului de carbon în prezența catalizatorilor metalici pe baza de metale subgrup de fier [TWEbbesen // Carbon nanotubes: Preparation and properties, CRC Press, 1997, p.139- 161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Sinteza și caracterizarea materialelor din nanotuburi de carbon (recenzie) // Jurnalul Universității de Tehnologie Chimică și Metalurgie, 2006, nr. 4, v.41, p.377-390 ; J. W. Seo; A. Magrez; M. Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Nanotuburi de carbon cultivate catalitic: de la sinteza la toxicitate // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6]. Din acest motiv, MWCNT-urile obținute cu ajutorul lor conțin impurități ale metalelor catalizatorilor utilizați. În același timp, pentru o serie de aplicații, de exemplu, pentru a crea dispozitive electrochimice și a obține materiale compozite pentru diverse scopuri, sunt necesare MWCNT de înaltă puritate care nu conțin impurități metalice. MWCNT-urile de înaltă puritate sunt necesare în primul rând pentru producerea de materiale compozite supuse prelucrării la temperatură înaltă. Acest lucru se datorează faptului că incluziunile anorganice pot fi catalizatori pentru grafitizarea locală și, ca urmare, inițiază formarea de noi defecte în structura carbonului [AS Fialkov // Carbon, compuși interstrat și compozite bazate pe acesta, Aspect Press, Moscova , 1997, p. 588 -602]. Mecanismul acțiunii catalitice a particulelor de metal se bazează pe interacțiunea atomilor de metal cu o matrice de carbon cu formarea de particule metal-carbon, urmată de eliberarea de noi formațiuni asemănătoare grafitului care pot distruge structura compozitului. Prin urmare, chiar și impuritățile metalice mici pot duce la o încălcare a uniformității și morfologiei materialului compozit.

Cele mai obișnuite metode de curățare a nanotuburilor de carbon catalitic de impurități se bazează pe tratarea acestora cu un amestec de acizi cu diferite concentrații atunci când sunt încălzite, precum și în combinație cu expunerea la radiații cu microunde. Cu toate acestea, principalul dezavantaj al acestor metode este distrugerea pereților nanotuburilor de carbon ca urmare a expunerii la acizi puternici, precum și apariția unui număr mare de grupări funcționale nedorite care conțin oxigen pe suprafața lor, ceea ce face dificilă. pentru a selecta condițiile pentru tratamentul cu acid. În acest caz, puritatea MWCNT-urilor obținute este de 96-98% în greutate, deoarece particulele de metal ale catalizatorului sunt încapsulate în cavitatea internă a nanotubului de carbon și sunt inaccesibile pentru reactivi.

O creștere a purității MWCNT-urilor poate fi obținută prin încălzirea acestora la temperaturi de peste 1500 ° C, menținând în același timp structura și morfologia nanotuburilor de carbon. Aceste metode fac posibilă nu numai purificarea MWCNT-urilor din impuritățile metalice, dar contribuie și la ordonarea structurii nanotuburilor de carbon datorită recoacerii defectelor mici, creșterii modulului Young, scăderii distanței dintre straturile de grafit și îndepărtarea oxigenului de suprafață, care asigură în continuare o dispersie mai uniformă a nanotuburilor de carbon în matricea polimerică, necesară pentru a obține o mai bună materiale compozite. Calcinarea la o temperatură de aproximativ 3000°C duce la formarea unor defecte suplimentare în structura nanotuburilor de carbon și la dezvoltarea unor defecte deja existente. Trebuie remarcat faptul că puritatea nanotuburilor de carbon obținute prin metodele descrise nu este mai mare de 99,9%.

Invenția rezolvă problema dezvoltării unei metode de curățare a nanotuburilor de carbon multistrat obținute prin piroliza catalitică a hidrocarburilor, cu îndepărtarea aproape completă a impurităților catalizatorului (până la 1 ppm), precum și a impurităților altor compuși care pot apărea în timpul tratării cu acid a MWCNT. , menținând în același timp morfologia nanotuburilor de carbon.

Problema este rezolvată prin metoda de purificare a nanotuburilor de carbon multistrat obținute prin piroliza hidrocarburilor folosind catalizatori care conțin Fe, Co, Ni, Mo, Mn și combinațiile acestora ca componente active, precum și Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 ca purtători, care se efectuează fierbere într-o soluție de acid clorhidric cu spălare ulterioară cu apă, după tratamentul cu acid, încălzirea se efectuează într-un curent de argon de înaltă puritate într-un cuptor cu un gradient de temperatură, în zona de lucru temperatura este 2200-2800 ° C, la marginile cuptorului temperatura este de 900-1000 ° C, drept urmare obțin nanotuburi multistrat cu un conținut de impurități metalice mai mic de 1 ppm.

Încălzirea se realizează în fiole din grafit de înaltă puritate.

Timpul de încălzire într-un curent de argon este, de exemplu, de 15-60 min.

Utilizați argon cu o puritate de 99,999%.

O diferență semnificativă a metodei este utilizarea unui cuptor cu un gradient de temperatură pentru curățarea MWCNT-urilor, în care impuritățile metalice se evaporă în zona fierbinte, iar particulele de metal se condensează sub formă de bile mici în zona rece. Pentru a efectua transferul vaporilor metalici se folosește un flux de argon de înaltă puritate (cu o puritate de 99,999%) cu un debit de gaz de aproximativ 20 l/h. Cuptorul este echipat cu garnituri speciale pentru a preveni expunerea la gazele atmosferice.

Desorbția preliminară a oxigenului din apă și aer de la suprafața MWCNT-urilor și a unei fiole de grafit, în care proba este plasată într-un cuptor de grafit, precum și purjarea acestora cu argon de înaltă puritate, face posibilă evitarea reacțiilor de transport de gaz care implică hidrogen- și gaze care conțin oxigen, care duc la redistribuirea carbonului între formele sale foarte dispersate și formele bine cristalizate asemănătoare grafitului cu energie de suprafață scăzută (VLKuznetsov, Yu.V.Butenko, VIZaikovskii și ALChuvilin // Procese de redistribuire a carbonului în nanocarburi / / Carbon 42 (2004) pp.1057-1061; AS Fialkov // Procese and devices for production of pulbere carbon-graphite materials, Aspect Press, Moscova, 2008, pp. 510-514).

Nanotuburile multistrat de carbon catalitic sunt obținute prin piroliza hidrocarburilor folosind catalizatori care conțin Fe, Co, Ni, Mo și combinațiile acestora ca componente active, precum și Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 ca purtători (T. W. Ebbesen // Nanotuburi de carbon: Preparare și proprietăți, CRC Press, 1997, p.139-161 V.Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Sinteza și caracterizarea materialelor din nanotuburi de carbon (recenzie) // Jurnalul Universității de Tehnologie Chimică și Metalurgie, 2006, nr. 4, v.41, p.377-390; JWSeo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Nanotuburi de carbon cultivate catalitic: de la sinteza la toxicitate / / Journal of Physics D (Fizică aplicată), 2007, v.40, n.6).

În metoda propusă, pentru a demonstra posibilitatea eliminării impurităților celor mai tipice metale, se efectuează purificarea pentru două tipuri de MWCNT sintetizate pe catalizatori Fe-Co/Al 2 O 3 și Fe-Co/CaCO 3 care conțin Fe și Co în un raport de 2:1. Una dintre cele mai importante caracteristici ale utilizării acestor catalizatori este absența altor faze de carbon în probele sintetizate, cu excepția MWCNT-urilor. În prezența unui catalizator Fe-Co/Al 2 O 3, MWCNT-urile sunt obținute cu un diametru exterior mediu de 7-10 nm, iar în prezența unui catalizator Fe-Co/CaCO 3, MWCNT-uri cu diametre exterioare medii mari de se obţin 22-25 nm.

Probele obținute sunt examinate prin microscopie electronică cu transmisie, fluorescență cu raze X folosind un analizor ARL-Advant"x cu un tub de raze X cu anod Rh (precizia măsurării ± 10%) și se măsoară suprafața specifică a probelor prin metoda BET.

Conform TEM, mostrele originale constau din MWCNT foarte defecte (Fig.1, 6). Fragmentele de tuburi din zona coturilor au contururi netede, rotunjite; pe suprafața tuburilor se observă un număr mare de formațiuni asemănătoare fulerenelor. Straturile de nanotuburi asemănătoare grafenului se caracterizează prin prezența unui număr mare de defecte (rupturi, îmbinări în formă de Y etc.). În unele părți ale tuburilor, există o discrepanță în numărul de straturi pe diferite părți ale MWCNT-urilor. Acesta din urmă indică prezența unor straturi extinse de grafen deschise, localizate în principal în interiorul tuburilor. Imagini microscopice electronice ale MWCNT-urilor încălzite într-un flux de argon de înaltă puritate la temperaturi de 2200°C - Fig.2, 7; 2600°C - Fig.3, 8; 2800°C - Figurile 4, 5, 9. În probele după calcinare, se observă mai multe MWCNT-uri cu un număr mai mic de defecte interne și de suprafață. Tuburile constau din fragmente rectilinii de ordinul a sute de nanometri, cu îndoituri clar definite. Odată cu creșterea temperaturii de calcinare, dimensiunile secțiunilor drepte cresc. Numărul de straturi de grafen din pereții tubului din diferite părți devine același, ceea ce face ca structura MWCNT să fie mai ordonată. Suprafața interioară a tuburilor suferă, de asemenea, modificări semnificative - particulele de metal sunt îndepărtate, partițiile interne devin mai ordonate. Mai mult decât atât, capetele tuburilor sunt închise - există o închidere a straturilor de grafen care formează tuburile.

Calcinarea probelor la 2800°C duce la formarea unei cantități mici de formațiuni de carbon cilindrice lărgite, constând din straturi de grafen imbricate unele în altele, care pot fi asociate cu transferul de carbon pe distanțe scurte din cauza creșterii vaporilor de grafit. presiune.

Studiile de probe de MWCNT inițiale și încălzite prin fluorescență spectrală cu raze X au arătat că, după încălzirea probelor de nanotuburi de carbon cu pereți multiplu la temperaturi în intervalul 2200–2800°C, cantitatea de impurități scade, ceea ce este confirmat și de metoda de transmitere. microscopia electronică. Încălzirea probelor MWCNT la 2800°С asigură îndepărtarea aproape completă a impurităților din probe. În acest caz, nu sunt îndepărtate doar impuritățile metalelor catalizatoare, ci și impuritățile altor elemente care intră în MWCNT-uri în etapele de tratare cu acid și spălare. În probele inițiale, raportul dintre fier și cobalt este de aproximativ 2:1, ceea ce corespunde compoziției inițiale a catalizatorilor. Conținutul de aluminiu din tuburile originale obținute pe probe de catalizator Fe-Co/Al 2 O 3 este scăzut, ceea ce este asociat cu îndepărtarea acestuia în timpul tratării nanotuburilor cu acid în timpul spălării catalizatorului. Rezultatele studiului conținutului de impurități prin metoda fluorescenței spectrale cu raze X sunt prezentate în tabelele 1 și 2.

Măsurarea suprafeței specifice prin metoda BET a arătat că, odată cu creșterea temperaturii, suprafața specifică a probelor MWCNT se modifică nesemnificativ, în timp ce structura și morfologia nanotuburilor de carbon sunt păstrate. Conform datelor TEM, scăderea suprafeței specifice poate fi asociată atât cu închiderea capetelor MWCNT, cât și cu scăderea numărului de defecte de suprafață. Odată cu creșterea temperaturii, se poate forma o fracțiune nesemnificativă a formațiunilor cilindrice lărgite cu un număr crescut de straturi și un raport lungime-lățime de aproximativ 2-3, ceea ce contribuie și la scăderea suprafeței specifice. Rezultatele studiului suprafeței specifice sunt prezentate în tabelul 3.

Esența invenției este ilustrată prin următoarele exemple, tabele (tabelele 1-3) și ilustrații (Fig.1-9).

O porțiune de MWCNT (10 g) obținută prin piroliza etilenei în prezența unui catalizator Fe-Co/Al 2 O 3 într-un reactor de cuarț cu curgere la o temperatură de 650-750°C este plasată într-o fiolă de grafit 200 mm înălțime și 45 mm în diametrul exterior și închis cu un capac (10 mm în diametru) cu un orificiu (1-2 mm în diametru). Fiola de grafit este plasată într-o fiolă de cuarț și aerul este pompat folosind o pompă de vid la o presiune de cel puțin 10 -3 Torr, urmată de purjare cu argon de înaltă puritate (puritate 99,999%), mai întâi la temperatura camerei și apoi la o temperatură de 200-230°C pentru a îndepărta grupele de suprafaţă care conţin oxigen şi urmele de apă. Proba este încălzită la o temperatură de 2200°C timp de 1 oră într-un flux de argon de înaltă puritate (~20 l/h) într-un cuptor cu gradient de temperatură, unde temperatura din zona de lucru este menținută la 2200°C , iar la marginile cuptorului temperatura este de 900-1000° CU. Atomii de metal care se evaporă în timpul încălzirii din MWCNT sunt îndepărtați din partea fierbinte a cuptorului în partea rece printr-un flux de argon, unde metalul este depus sub formă de bile mici.

După calcinare, materialul obținut este examinat prin metoda microscopiei electronice cu transmisie și metoda fluorescenței spectrale cu raze X. Figura 1 prezintă imagini microscopice electronice ale MWCNT-urilor originale, figura 2 - încălzite la 2200°C MWCNT-uri. Folosind metoda BET, suprafața specifică a probelor MWCNT este determinată înainte și după calcinare. Datele obținute indică o scădere ușoară a suprafeței specifice a probelor după calcinare în comparație cu suprafața specifică a probei MWCNT inițiale.

Similar cu exemplul 1, care diferă prin aceea că o probă din MWCNT inițiale este încălzită la 2600°C timp de 1 oră într-un flux de argon de înaltă puritate (~20 l/h) într-un cuptor cu gradient de temperatură, în care temperatura din timpul de lucru zona se mentine la 2600°C, pentru Temperatura la marginile cuptorului este de 900-1000°C. Imaginile MWCNT încălzite obținute prin microscopie electronică cu transmisie sunt prezentate în Fig.3. Imaginile TEM de înaltă rezoluție arată capetele închise ale nanotuburilor.

Similar cu exemplul 1, care diferă prin aceea că o probă din MWCNT inițiale este încălzită la 2800°C timp de 15 minute într-un flux de argon de înaltă puritate (~20 l/h) într-un cuptor cu gradient de temperatură, unde temperatura din timpul de lucru zona se mentine la 2800°C, pentru Temperatura la marginile cuptorului este de 900-1000°C. Imaginile MWCNT încălzite obținute prin microscopie electronică cu transmisie sunt prezentate în Fig.4.

Aprinderea la 2800°C duce la formarea unui număr mic de formațiuni cilindrice lărgite cu un număr crescut de straturi și un raport lungime/lățime de aproximativ 2-3. Aceste măriri sunt vizibile în imaginile TEM (Figura 5).

Analog cu exemplul 1, caracterizat prin aceea că MWCNT original obţinut în prezenţa unui catalizator Fe-Co/CaC03. Imaginile MWCNT-urilor originale și ale MWCNT-urilor încălzite la 2200 ° C, obținute prin microscopie electronică cu transmisie, sunt prezentate în Fig.6, respectiv 7. Imaginile TEM ale MWCNT-urilor originale arată particule metalice încapsulate în canalele tubului (marcate cu săgeți).

Analog cu exemplul 4, caracterizat prin aceea că proba din MWCNT original s-a încălzit la 2600°C. Imaginile MWCNT încălzite, obținute prin microscopie electronică cu transmisie, sunt prezentate în Fig.8. Imaginile TEM de înaltă rezoluție arată capetele închise ale nanotuburilor.

Analog cu exemplul 4, caracterizat prin aceea că proba din MWCNT original s-a încălzit la 2800°C timp de 15 min. Imaginile MWCNT încălzite, obținute prin microscopie electronică cu transmisie, sunt prezentate în Fig.9. Imaginile arată formarea unei proporții mici de măriri.

tabelul 1
Date ale metodei de fluorescență spectrală cu raze X privind conținutul de impurități din MWCNT după încălzire, obținute cu catalizatorul Fe-Co/Al 2 O 3
Element
MWCNT inițiale	MWCNT_2200°C exemplul 1	MWCNT_2600°C exemplul 2	MWCNT_2800°C exemplul 3
Fe	0.136	0.008	urme de pasi	urme de pasi
Asa de	0.0627	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Al	0.0050	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Sa	urme de pasi	0.0028	0.0014	urme de pasi
Ni	0.0004	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Si	0.0083	0.0076	urme de pasi	Nu
Ti	Nu	0.0033	urme de pasi	urme de pasi
S	urme de pasi	Nu	Nu	Nu
Cl	0.111	Nu	Nu	Nu
sn	0.001	0.001	urme de pasi	urme de pasi
Ba	Nu	Nu	Nu	Nu
Cu	0.001	0.001	urme de pasi	urme de pasi
urme - conținut de elemente sub 1 ppm

masa 2
Datele metodei de fluorescență spectrală cu raze X privind conținutul de impurități din MWCNT după încălzire, obținute cu catalizatorul Fe-Co/CaCO 3
Element	Estimarea conținutului de impurități, % în greutate
MWCNT inițiale	MWCNT_2200°C exemplul 4	MWCNT_2600°C exemplul 5	MWCNT_2800°C exemplul 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Asa de	0.0936	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Al	0.0048	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Sa	0.0035	0.005	0.0036	urme de pasi
Ni	0.0003	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Si	0.0080	0.0169	0.0098	urme de pasi
Ti	Nu	urme de pasi	0.0021	0.0005
S	0.002	Nu	Nu	Nu
Cl	0.078	Nu	Nu	Nu
sn	0.0005	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi
Ba	0.008	Nu	Nu	Nu
Cu	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi	urme de pasi

Tabelul 3
Suprafața specifică BET a probelor MWCNT inițiale și încălzite
Probă MWCNT (catalizator)	S bătăi, m2/g (±2,5%)
MWNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) exemplul 1	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) exemplul 2	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) exemplul 3	304
MWNT_ref (Fe-Co/СаСО 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) exemplul 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) exemplul 5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) exemplul 6	134

Legendele figurilor:

Fig.1. Imagini microscopice electronice ale probei inițiale de MWCNT sintetizate pe catalizatorul Fe-Co/Al2O3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta, dedesubt, o imagine TEM de înaltă rezoluție care arată pereții MWCNT defecte.

Fig.2. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2200°С, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/Al 2 O 3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta jos, imagine TEM de înaltă rezoluție. Structura MWCNT-urilor devine mai puțin defectuoasă, capetele nanotuburilor se închid.

Fig.3. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2600°С, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/Al 2 O 3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta, mai jos este o imagine TEM de înaltă rezoluție care arată capetele închise ale MWCNT-urilor. Pereții MWCNT-urilor devin mai netede și mai puțin defecte.

Fig.4. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2800°С, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/Al 2 O 3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta jos, imagine TEM de înaltă rezoluție care arată pereți MWCNT mai puțin defecte.

Fig.5. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2800°C, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/Al 2 O 3, care arată apariția unor defecte în structura MWCNT-urilor, care sunt formațiuni cilindrice formate din straturi de grafen imbricate în unul pe altul, care sunt afișate în imaginea TEM de înaltă rezoluție din dreapta sus.

Fig.6. Imagini microscopice electronice ale probei inițiale de MWCNT sintetizate pe catalizatorul Fe-Co/CaCO3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta, mai jos este o imagine TEM de înaltă rezoluție care arată suprafața neuniformă a MWCNT-urilor. În dreapta, în partea de sus, sunt vizibile particulele de catalizator încapsulate în interiorul canalelor nanotuburilor de carbon (marcate cu săgeți).

Fig.7. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2200°С, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/CaCO3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta, mai jos este o imagine TEM de înaltă rezoluție care arată pereți mai netezi ai MWCNT-urilor.

Fig.8. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2600°С, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/CaCO3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta, mai jos este o imagine TEM de înaltă rezoluție care arată capetele închise ale MWCNT-urilor. Pereții MWCNT-urilor devin mai netede și mai puțin defecte.

Fig.9. Imagini microscopice electronice ale unei probe de MWCNT încălzite la o temperatură de 2800°С, sintetizate pe un catalizator Fe-Co/CaCO3. În stânga este o imagine TEM cu rezoluție scăzută. În dreapta jos, imagine TEM de înaltă rezoluție.

1. O metodă de curățare a nanotuburilor de carbon multistrat obținute prin piroliza hidrocarburilor folosind catalizatori care conțin Fe, Co, Ni, Mo, Mn și combinațiile acestora ca componente active, precum și Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 - ca purtători, prin fierbere într-o soluție de acid clorhidric cu spălare suplimentară cu apă, caracterizată prin aceea că, după tratarea cu acid, încălzirea se efectuează într-un curent de argon de înaltă puritate într-un cuptor cu un gradient de temperatură, unde temperatura în zona de lucru este de 2200- 2800 ° C, la marginile cuptorului temperatura este de 900-1000 ° C, rezultând nanotuburi multistrat cu un conținut de impurități metalice mai mic de 1 ppm.

2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că încălzirea se realizează în fiole din grafit de înaltă puritate.

în acid sulfuric care conţine anhidridă cromică. Cu toate acestea, este necesară îndepărtarea preliminară a unei fracții mari de granule de nanodiamond. Referințe 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Incursiunea spre modificarea nanodiamondului de detonare // Diamond and Related Materials, 2006, Vol. 15, p. 296-299 2. Brevet. 5-10695, Japonia (A), Soluţie de acoperire cu crom, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27.04.1993 3. Dolmatov, V.Yu. Sinteza diamantelor ultrafine de detonare ca bază a unei noi clase de acoperiri de galvanizare compozite metal-diamant / sedimentare V.Yu. - principiile de bază // Spec. Chem., 1991, voi. 11, nr.6, p. 426-430 UDC 661,66 N.Yu. Biryukova1, A.N. Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Iskhakova2, E.V. Universitatea Rusă de Chimie-Tehnologie Zharikov1. DI. Mendeleev, Moscova, Rusia Centrul de Cercetare pentru Fibră Optică RAS, Moscova, Rusia 1 2 PURIFICAREA NANOTUBURILOR DE CARBON PRODUSE PRIN PIROLIZA BENZENULUI CALITIC În această lucrare sunt prezentate rezultatele studiilor experimentale de purificare și separare a nanotuburilor cu pereți multipli prin metode fizice și chimice. Eficiența fiecărei etape a fost controlată prin studierea caracteristicilor morfologice ale produselor de piroliză. Lucrarea prezintă rezultatele studiilor experimentale de purificare și separare a nanotuburilor de carbon multistrat prin metode fizice și chimice. Eficiența fiecărei etape de purificare a fost controlată de modificările caracteristicilor morfologice ale produselor de piroliză. Metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor este una dintre metodele promițătoare pentru sinteza nanotuburilor de carbon. Metoda face posibilă obținerea de nanotuburi cu un singur strat, multistrat, rețele orientate de nanostructuri de carbon cu organizarea adecvată a parametrilor de sinteză. Totodată, produsul obținut prin piroliza compușilor care conțin carbon, alături de nanotuburi, conține o cantitate semnificativă de impurități, precum particule de catalizator, carbon amorf, fulerene etc. Pentru îndepărtarea acestor impurități, se folosesc metode fizice (centrifugare, ultrasunete). tratare, filtrare) sunt utilizate de obicei în combinație cu substanțe chimice (oxidare în medii gazoase sau lichide la temperaturi ridicate). În cadrul lucrării, a fost dezvoltată o metodă combinată de purificare și separare a nanotuburilor multistrat de produse secundare și a fost determinată eficacitatea diverșilor reactivi. Depozitul inițial a fost obținut prin piroliza catalitică a benzenului folosind pentacarbonilul de fier ca precatalizator. Depozitul a fost tratat cu acizi clorhidric, sulfuric și azotic. Agregatele de nanotuburi au fost sparte de ultrasunete la o frecvență de 22 kHz. Pentru a separa depozitul în fracții, s-a folosit centrifugare (3000 rpm, timp de procesare până la 1 oră). Pe lângă tratamentul cu acid, tratamentul termic al nanotuburilor de la USP ECH I a fost folosit și în chimie și tehnologia chimică. Volumul XXI. 2007. Nr 8 (76) 56 în aer. Pentru a obține cea mai bună curățare, a fost stabilită succesiunea optimă a diferitelor metode. Caracteristicile morfologice ale produselor de piroliză și gradul de purificare au fost controlate prin microscopie electronică cu scanare, spectroscopie Raman și analiză de fază cu raze X. UDC 541.1 E.N. Golubina, N.F. Kizim, V.V. Institutul Moskalenko Novomoskovsk al Universității Chimice-Tehnologice din Rusia. DI. Mendeleeva, Novomoskovsk, Rusia INFLUENȚA NANOSTRUCTURILE ASUPRA CARACTERISTICILOR DE EXTRACȚIE ÎN APA DE SISTEM – ErCl3 – D2EHPA – CINETICA HEPTAN Caracteristica cinetică a Er(III) extras soluția de D2EHPA în heptan (aria concentrată pe curba de viteză mare, a acumulării sale la straturile interfațiale dinamice la începutul procesului, dispoziția extremă în funcție de grosimea revizuită a straturilor interfațiale dinamice din raportul elementului de concentrare și solvent) sunt indicate la o parte semnificativă a nanostructurilor în procesul de extracție. Caracteristicile cinetice ale extracției erbiului (III) prin soluții de D2EHPA în heptan (grafice de concentrație pe curbele cinetice, viteza mare acumularea sa în DMS la începutul procesului, natura extremă a dependenței grosimii DMS observate de raportul dintre concentrațiile elementului și extractantul) indică un rol semnificativ al nanostructurilor în procesul de extracție. Se știe că în sistemele de extracție pot apărea diverse nanoobiecte: straturi de adsorbție, micele, geluri micelare, vezicule, geluri polimerice, geluri cristaline, microemulsie, nanodispersie, emulsie. În special, în sistemul La(OH)3-D2EHPA-decan-apă, se formează un organogel, a cărui structură spațială este construită din particule în formă de tijă cu un diametru de ≈0,2 și o lungime de 2-3 μm. Sarea de sodiu a D2EHPA în absența apei formează micele cilindrice inverse cu o rază de 53 nm. V secțiune transversală miceliile sunt trei molecule de NaD2EHP, orientate de grupări polare spre centru și lanțuri de hidrocarburi către solventul organic. Starea unei astfel de rețele depinde de natura elementului. În cazul Co(D2EHP)2 se formează structuri macromoleculare cu un număr de agregare mai mare de 225. În cazul Ni(D2EHP)2 (posibil și Ni(D2EHP)2⋅2H2O), agregate cu un număr de agregare ≈ 5.2 apar. În anumite condiții, este posibilă formarea de structuri moleculare polimerice cu o rază hidrodinamică de ≈15 nm. În timpul extracției lantanului cu soluții de D2EHPA, are loc formarea de alchil fosfat de lantan în vrac și rigid structural, ceea ce determină o scădere a elasticității monostratului de alchil fosfat de lantan la limita de fază. Formarea nanostructurilor afectează atât proprietățile de echilibru ale sistemului, cât și cinetica procesului. Extracția elementelor pământurilor rare este complicată de apariția a numeroase procese interfațiale, precum apariția și dezvoltarea convecției spontane de suprafață (SSC), formarea unei bariere structural-mecanice, dispersia de fază etc. Ca rezultat reactie chimicaîntre D2EGFK și element se formează o sare puțin solubilă, care determină formarea de nanostructuri conform mecanismului „de la mai mic la mai mare”. Scopul acestei lucrări a fost de a stabili efectul nanostructurilor asupra caracteristicilor cinetice ale extracției erbiului (III) cu soluții D2EHPA în heptan. U S P E X I în chimie și tehnologie chimică. Volumul XXI. 2007. Nr. 8 (76) 57