Способ электродугового получения углеродных нанотрубок

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для получения материалов-аккумуляторов автономных систем хранения водорода. Углеродные нанотрубки получают электродуговым способом в атмосфере аргона с применением полого графитового анода, содержащего наполнитель, которым служит сульфид цинка. Полученные углеродные нанотрубки содержат 0,04-0,06 мас.% цинка.

 

Изобретение относится к области получения наноструктур, а именно углеродных нанотрубок, легированных цинком, и может быть использовано в производстве материалов-аккумуляторов автономных систем хранения водорода.

Углеродные нанотрубки - новый материал, впервые обнаруженный в 1991 г. Одно из наиболее перспективных направлений применения углеродных нанотрубок - автономные системы хранения водорода, в которых они могут быть использованы в качестве аккумулирующей среды. Имеются данные, что легирование углеродных нанотрубок некоторыми металлами, в частности цинком, повышает их сорбционную емкость.

Известен способ получения углеродных микротрубок диаметром 1-2 микрометра и длиной до нескольких сотен микрометров путем взаимодействия углерода и сульфида цинка (ZnS), используемых в виде смеси порошков активированного угля и сульфида цинка. Процесс проводится в потоке инертного газа при температуре 1350-1500°C в течение 1-2 часов [В.Yoshio, S. Ко. Method of manufacturing carbon microtube. Pat. JP 2005239439] - аналог. В силу условий проведения процесса получаемые микротрубки содержат некоторое количество цинка. Основной недостаток этого способа состоит в том, что он предназначен для получения микротрубок, а получение углеродных нанотрубок невозможно.

Известен способ получения углеродных нанотрубок путем взаимодействия углерода и ZnS, используемых в виде графита и паров сульфида цинка. Процесс проводится в замкнутом объеме, в атмосфере инертного газа, при температуре 1700-1770°C в течение 2-3 часов [Н.Н.Колесников, В.В.Кведер, Д.Н.Борисенко. Способ получения углеродных нанотрубок. Патент РФ №2311338] - аналог. Основной недостаток этого способа - невозможность легирования нанотрубок цинком, так как образующиеся трубки длительное время находятся при высоких температурах. В используемом интервале температур расчетные значения давления паров цинка составляют 80-100 атм. Вследствие испарения цинка и уноса паров конвективными потоками инертного газа не происходит легирования нанотрубок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электродуговой способ получения углеродных нанотрубок в атмосфере аргона с применением полого графитового анода, содержащего наполнитель[D.N.Borisenko, N.N.Kolesnikov, M.P.Kulakov, V.V.Kveder. Growth of carbon nanotubes in electric-arc discharge in argon. International Journal of Nanoscience, 2002, v.1, N3-4, p.235-246] - прототип. Наполнителем служат железо, никель или кобальт, предположительно являющиеся катализаторами процесса образования нанотрубок. В то же время, возможно получение нанотрубок и без использования катализатора. Основным недостатком способа является невозможность легирования нанотрубок цинком.

Задачей предлагаемого способа является получение углеродных нанотрубок, легированных цинком.

Эта задача решается в предлагаемом способе электродугового получения углеродных нанотрубок в атмосфере аргона с применением полого графитового анода, содержащего наполнитель, за счет того, что наполнителем служит сульфид цинка.

Хотя температура в электрической дуге, по разным оценкам, может достигать 3000-6000°С, такой процесс позволяет получать углеродные нанотрубки, содержащие 0,04-0,06 мас.% цинка, что объясняется, вероятно, тем, что нанотрубки образуются практически мгновенно и быстро охлаждаются в катодном осадке.

Пример 1.

Полость графитового анода заполняется порошком сульфида цинка с размером частиц 1-20 мкм, анод помещается в установку для получения углеродных нанотрубок электродуговым методом. После проведения процесса получены нанотрубки, содержащие 0,04 мас.% цинка.

Пример 2.

Полость графитового анода заполняется порошком сульфида цинка с размером частиц 150-300 мкм, анод помещается в установку для получения углеродных нанотрубок электродуговым методом. После проведения процесса получены нанотрубки, содержащие 0,05 мас.% цинка.

Пример 3.

В полость графитового анода помешается стержень из кристаллического сульфида цинка, анод помещается в установку для получения углеродных нанотрубок электродуговым методом. После проведения процесса получены нанотрубки, содержащие 0,06 мас.% цинка.

Способ электродугового получения углеродных нанотрубок в атмосфере аргона с применением полого графитового анода, содержащего наполнитель, отличающийся тем, что наполнителем служит сульфид цинка.