Способ непрерывного получения графенов



Способ непрерывного получения графенов
Способ непрерывного получения графенов

 


Владельцы патента RU 2556926:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения композиционных материалов с высокой электро- и теплопроводностью, добавок в бетоны и керамику, сорбентов, катализаторов. Углеродсодержащий материал испаряют в объемной термической плазме и конденсируют на поверхности мишени 9 и внутренней поверхности коллектора 7. Используют плазмотрон 3, включающий соосно расположенные электроды: стержневой катод 4 и выходной анод 5, имеющий форму сопла. Газообразный углеродсодержащий материал 6 подают с плазмообразующим газом через вихревую камеру с каналами 2 и выбирают из группы, состоящей из метана, пропана, бутана. Дно коллектора выполнено с отверстием 8 для прохода газового потока. Изобретение позволяет снизить энергоемкость процесса, расширить виды используемого углеводородного сырья, упростить конструкцию устройства и обеспечить непрерывность процесса и его высокую производительность. 2 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения углеродных наноструктур, в частности графенов. Синтезированные этим способом углеродные материалы могут быть применены в качестве основы композиционных материалов, обладающих высокой электро- и теплопроводностью, как добавка в бетоны и керамики, могут выступать в роли сорбента, а также носителя катализаторов.

Известен способ получения фуллеренов (заявка на изобретение RU №2005141129 «Способ получения фуллеренов», МПК C01B 31/02, опубл. 10.06.2006), в котором углеводородсодержащий газ и кислородсодержащий газ выпускают из выпускной секции, размещенной в фуллереновом реакторе, в фуллереновый реактор и сжигают.

Недостатками известного способа является невысокая доля конверсии углеводородного сырья в фуллерены, высокое содержание кислорода в фуллереновой продукции, а также неэкологичность процесса, обусловленная большим количеством отходов и выбросами продуктов сгорания в атмосферу.

Известен способ (заявка на изобретение RU 97115694 «Способ и устройство для получения фуллеренов», МПК C01B 31/02, опубл. 10.07.1999), в котором фуллерены получают путем воздействия на углеводород электрической дугой, причем в качестве углеродосодержащего материала используют жидкий углеводород.

Недостатками такого способа является высокая энергоемкость процесса, связанная с использованием электрической дуги, а также низкая технологичность процесса, обусловленная тем, что жидкий углеводород заполняет корпус выше уровня электродов, что затрудняет введение углеводорода в разрядную камеру и сбор готового продукта.

Известен способ получения углеродных нанотрубок (патент RU 2414418 «Способ получения водорода и углеродных нанотрубок из углеводородного газа», МПК C01B 3/26, C01B 31/02, B82B 3/00, опубл. 20.03.2011), в котором предварительно в среде инертного газа осуществляют распыление катализатора до наноразмерных частиц путем испарения анодного графитового электрода, внутри которого устанавливают проволоку из металла, который используют в качестве катализатора, диаметром 0,5 мм и менее. Затем инертный газ откачивают, зажигают электрическую дугу переменного тока методом касания электродов с последующим увеличением межэлектродного расстояния до 0,3÷0,5 мм и в плазме электрического разряда осуществляют высокотемпературный пиролиз углеводородного газа при давлении в реакторе 0,5÷2 атм с получением водорода и углеродных наноструктур. Рост углеродных наноструктур, представляющих собой преимущественно одно- и многослойные нанотрубки без примесей других углеродных структур углерода, происходит на синтезированных частицах катализатора. В качестве инертного газа используют гелий. В качестве углеводородного газа используют метан, попутный нефтяной газ, ацетилен, пропан, бутан, природный газ. В качестве катализатора используют палладий, железо, никель, кобальт.

Недостатком такого способа является высокая энергоемкость, связанная с использованием электрической дуги переменного тока, высокие затраты на поведение способа, обусловленные необходимостью использования дорогостоящих катализаторов (кобальт, никель и т.д.).

Наиболее близким к заявляемому является способ, представленный в патенте RU 2489350 C2 «Способ получения углеродных наноматериалов и устройство для его реализации», МПК C01B 31/02, B82B 3/00, B82Y 40/00, опубл. 10.08.2013. Бюл №22. По данному способу углеродсодержащий материал испаряют в объемной термической плазме и конденсируют на внешней поверхности анода и внутренней поверхности катода. Используют плазму тлеющего разряда. При этом тлеющий разряд устанавливают подачей электрического напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка в области, образованной анодом, расположенным в полости полого катода соосно с ним, и стенками полого катода. Анод расположен в полости полого катода с возможностью перемещения по оси в целях установления расстояния, необходимого для возникновения пробоя, а также для установления требуемого распределения электрического потенциала, поля, плотности тока и зарядов в разрядном промежутке, а полый катод имеет форму стакана с проницаемым дном, обеспечивающим возможность подачи через него углеродсодержащего сырья. Используемое углеродсодержащее сырье может находиться в газообразном или жидком состоянии, в качестве углеводородного сырья могут служить газообразные (метан, пропан, бутан и т.д.) и жидкие (нефть, мазут, газойль и т.д.) углеводороды. Поверхность, на которой накапливается получаемый углеродный наноматериал, представляет собой внешнюю поверхность анода и внутреннюю поверхность полости катода. Недостатками данного изобретения являются:

- сложность конструкции, связанная с расположением анода в катоде и применением дополнительного устройства для перемещения его вдоль оси;

- необходимость рециркуляции непрореагировавших газов для увеличения степени их превращения, что усложняет практическую реализацию этого способа, так как впускное отверстие находится в дне катода;

- в качестве плазменного источника применен тлеющий разряд с существенной термической неравновесностью. Это приводит к возникновению трудностей по обеспечению воспроизводимости свойств углеродных наноматериалов;

- способ получения не является непрерывным и производительным, поскольку образование продукта происходит в объеме катода диаметром 60 мм и высотой 100 мм и на графитовом аноде диаметром 5 мм.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа непрерывного получения графенов, позволяющего достигать технические результаты, заключающиеся в снижении энергоемкости процесса, расширении видов углеродсодержащего сырья, упрощении конструкции устройства и обеспечении непрерывности процесса и его высокой производительности.

Поставленная задача достигается разложением газообразного углеродсодержащего материала из группы, состоящей из метана, пропана, бутана в плазме, и его конденсацией на поверхности, способ отличается тем, что в качестве плазмы используют объемную термическую плазму, генерируемую плазмотроном с соосно расположенными электродами, при этом полый выходной электрод - анод имеет форму сопла, катод - в виде стержня, углеродсодержащий материал подают с плазмообразующим газом в реакционную зону через вихревую камеру, необходимую для стабилизации дуги газовым потоком, а в качестве поверхности используют внутреннюю поверхность коллектора, дно которого выполнено с отверстием для прохода газового потока, и поверхность мишени, установленной перпендикулярно этому потоку. Катод, анод и коллектор охлаждаются водой. В качестве плазмообразующего газа используют один из газов: гелий, аргон, азот или их смесь. При использовании данного способа:

- расход углеродсодержащих материалов, плазмообразующего газа и мощность плазмотрона регулируются независимого друг от друга;

- позволяет работать в диапазоне давлений от 200 до 760 Торр;

- меняя давление и скорость плазменной струи, можно в широких пределах варьировать скорость охлаждения получаемого конденсата;

- время непрерывного синтеза ограничивается ресурсом катода плазмотрона, что может составить 50 часов для используемых конструкций медных катодов с вольфрамовой вставкой.

На рис. 1 представлена схема способа непрерывного получения графенов.

Способ получения графенов может быть реализован следующим образом: включается подача охлаждающей воды 1 и рабочего газа, поступающего в канал вихревой камеры 2 для ввода рабочего газа. Далее подается напряжение в плазмотроне 3 между катодом 4 и анодом 5 и одним из известных способов зажигается дуга между ними. Расстояние между электродами постоянно и составляет 6 мм. После стабилизации температур в водяных системах охлаждения вводится закрученным потоком плазмообразующий газ с углеродсодержащим материалом 6.

Расход сажи с катализаторами составляет 0,2-1 г/мин. В качестве плазмообразующего газа используется гелий или аргон при давлениях 350-710 Торр и при варьировании его расхода от 0,5 до 1 г/ сек. Фактически время синтеза определяется емкостью баллонов с газами. Графены собирают на внутренней поверхности коллектора 7 с отверстием 8 и поверхности металлической мишени 9 после охлаждения реактора до комнатной температуры.

Анализ синтезируемых графенов, полученных на металлической мишени, проводился методом синхронного термического исследования и электронной микроскопией.

Пример 1. После температурной стабилизации в реактор тангенциально вводят с гелием смесь пропана с бутаном при давлении гелия 710 Торр и расходе 0,5 г/сек, токе дуги 400A, напряжении 70 В. Расход смеси газов составлял 30 г/мин. Время работы установки 20 мин. На поверхности коллектора образовалась сажа с небольшим содержанием графенов. На мишени - графены в виде дефектных розочек. Выход - 8 вес.%.

Пример 2. Испарение смеси пропана с бутаном при расходе 30 г/мин, при давлении - аргона 500 Торр, расходе 3,5 г/сек, ток дуги 350А и напряжение 23 В дает образование слоистых графенов как на мишени, так и в коллекторе. На мишени дополнительно образуется аморфный углерод. Выход - 50 вес.%

Пример 3. При снижении давления до 350Торр, токе 400 А, напряжении 35 В и расходе смеси пропана с бутаном 25 г/мин графены синтезируются на мишени и в коллекторе. Выход - 95 вес.% (рис. 2).

Пример 4. Уменьшение скорости подачи метана и давления Не до 13,2 г/мин и 300 Торр увеличило выход графенов размером до 600 нм с постоянной геометрией до 90 вес.%.

Таким образом, по возможности непрерывно работать с высокой производительностью в широком диапазоне давлений заявляемый способ имеет преимущества.

Способ непрерывного получения графенов, включающий в себя разложение газообразного углеродсодержащего материала из группы, состоящей из метана, пропана, бутана в плазме, и его конденсацию на поверхности, отличающийся тем, что в качестве плазмы используют объемную термическую плазму, генерируемую плазмотроном с соосно расположенными электродами, при этом полый выходной электрод - анод имеет форму сопла, катод - в виде стержня, углеродсодержащий материал подают с плазмообразующим газом в реакционную зону через вихревую камеру, а в качестве поверхности используют внутреннюю поверхность коллектора, дно которого выполнено с отверстием для прохода газового потока, и поверхность мишени, установленной перпендикулярно этому потоку.



 

Похожие патенты:

Изобретения относятся к нанотехнологии и могут быть использованы при изготовлении катализаторов и сорбентов. Графеновая пемза состоит из графенов, расположенных параллельно на расстояниях больше 0,335 нм, и аморфного углерода в качестве связующего по их краям, при соотношении графена и связующего от 1:0,1 до 1:1 по массе.

Группа изобретений может быть использована при изготовлении материалов для электротехнической и химической промышленности. Графитсодержащий компонент смешивают с наполнителем на основе каолина, проводят сухое перемешивание с одновременным диспергированием последовательно в барабанном и центробежном смесителях.
Изобретение может быть использовано при получении изделий, работающих в области высоких температур. Сначала получают частицы терморасширенного графита нагревом частиц гидролизованного нитрата графита с удельной энергией нагрева, равной или превышающей 4,7 кДж/г в атмосфере продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива на воздухе с коэффициентом избытка воздуха в пересчете на топливо λ=0,8-1,1.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при производстве гибких изделий, композитов, прокладок, уплотнений, покрытий, антифрикционных и теплозащитных материалов, сорбентов.

Изобретение относится к нанотехнологии и предназначено для использования при создании современных тонкопленочных полупроводниковых приборов и структур наноэлектроники.
Изобретение относится к электронному графеновому устройству. Гибкое и поддающееся растяжению, пропускающее свет электронное устройство содержит первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник и управляющий графеновый электрод, расположенный между первым и вторым графеновыми электродами и находящийся в контакте с графеновым полупроводником.

Изобретение относится к углеродным материалам. Предложен углеродсодержащий материал, полученный пиролизом ксерогеля из гидрофильного полимера полигидроксибензол/формальдегидного типа и азотсодержащего латекса.

Изобретение может быть использовано при изготовлении теплонапряженных участков конструкций, подверженных воздействию агрессивных окислительных сред. Графитовые заготовки подвергают вакуумной заливке каменноугольным высокотемпературным пеком при температуре выше температуры плавления пека.

Изобретение относится к области электроники и нанотехнологии и касается способа получения композиционного материала, содержащего слоистые материалы на основе графита и сульфида молибдена.

Изобретение предназначено для электродной промышленности. Углеродные изделия укладывают между токоподводами с образованием электрической цепи.

Изобретении может быть использовано в ракетно-космической и авиационной отраслях, при металлообработке, обработке природных и искусственных камней, твердых и сверхтвердых материалов.

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к получению карбидокремниевых материалов и изделий, и может быть применено в качестве теплозащитных, химически и эрозионностойких материалов, используемых при создании авиационной и ракетной техники, носителей с развитой поверхностью катализаторов гетерогенного катализа, материалов химической сенсорики, фильтров для фильтрации потоков раскаленных газов и расплавов, а также в технологиях атомной энергетики.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии для лечения дефектов костной ткани и в качестве материала-носителя лекарственных средств.

Изобретение относится к области формирования в цифровом виде образного изображения поверхности нанообъекта в сканирующем туннельном микроскопе. Под образным изображением нанообъекта понимается его топография, отличающаяся от истинной, но сохраняющая отличительные признаки.

Изобретение относится к области техники, а именно автоматизации измерений при анализе взвешенных наночастиц в газах. Для этого используют устройство для определения спектра размеров взвешенных наночастиц в газах, содержащее размещенные по ходу анализируемого потока газа входное сопло с каналами подачи; диффузионные батареи сетчатого типа для пропускания аэрозольных частиц определенного размера; укрупняющее устройство конденсаторного роста; счетный объем; вакуумный насос; температурные датчики, нагреватель, охладитель и микроконтроллер для управления процессами нагревания и охлаждения в укрупняющем устройстве конденсаторного роста; оптическую систему, включающую импульсный источник излучения, осветитель и объективы для фокусировки оптического излучения в области счетного объема потока частиц и формирования изображений на матрице ПЗС; аналогово-цифровой преобразователь и ЭВМ для управления микроконтроллером термостатирования, ваккумным насосом и обработки шести изображений укрупненных частиц для анализа спектра их размеров.

Изобретение относится к области медицине, а именно к фармацевтической технологии, и касается способа количественной оценки химически связанных органических веществ, прежде всего, биологически активных и лекарственных веществ, с поверхностью наноалмаза в его конъюгате.

Изобретение относится к области фармацевтики и представляет собой суспензию для лечения псориаза, включающую кальципотриол моногидрата в форме нанокристаллов с распределением размера частиц в диапазоне 200-600 нм, которые диспергированы в водной фазе, включающей неионное, полимерное ПАВ, выбранное из группы, состоящей из ПАВ в виде полоксамеров или полисорбатов, в количестве 0,01-5 мас.% в расчете на суспензию для предотвращения образования агрегатов и/или роста кристаллов нанокристаллов кальципотриола моногидрата, причем нанокристаллы кальципотриола моногидрата получены в суспензии путем обработки суспензии способом, включающим стадии уменьшения размеров частиц кристаллического кальципотриола моногидрата в водной фазе с образованием микрочастиц с распределением размера частиц в диапазоне примерно 5-20 мкм и средним размером частиц примерно 10 мкм и воздействия на суспензию трех циклов гомогенизации под высоким давлением, каждый в течение 7-15 минут, причем на первом, втором и третьем циклах давление составляет 300-800 бар, 800-1200 бар и 1200-1700 бар соответственно.

Изобретение относится к электрохимической установке для формирования наноразмерного покрытия и может быть использовано в полупроводниковой и электронной промышленности.

Изобретение относится к оптической и оптоэлектронной технике, а именно к устройствам предохранения фоточувствительных элементов оптических и оптоэлектронных систем от разрушающего воздействия мощного излучения.

Изобретение относится к области химии, в частности к методикам наноструктурирования и модификации свойств поверхности. Изобретение может быть использовано для изменения смачиваемости поверхности кремния путем изменения пористости поверхности, в том числе для получения гидрофильных или гидрофобных поверхностей на основе кристаллического кремния.

Изобретение относится к синтезу алмазных наночастиц, которые могут быть использованы в различных областях техники. Предложенный способ синтеза ультрадисперсных алмазов включает в себя образование плазмы углерода из углеродсодержащего вещества и ее конденсацию охлаждающей жидкостью в условиях кавитации.
Наверх