способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, заключающийся в разложении углеродосодержащего сырья электрическим разрядом, отличающийся тем, что разложение углеродосодержащего сырья осуществляют в высоковольтном сильнонеравновесном электрическом разряде при давлении 20-50 Торр, а в качестве углеродосодержащего сырья используют жидкие углеводороды, которыми покрывают поверхность катода слоем толщиной 1-4 мм.

2. Разрядное устройство для получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, включающее анод, катод, токопроводящие к ним шины, расположенное в вакуумной камере, отличающееся тем, что анод, катод изготовлены из меди, а катод находится в диэлектрической кювете и покрыт слоем жидкого углеводорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области плазмохимии, плазменной обработки и разложения материалов, производства фуллеренов и нанотрубок.

Известен способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, который заключается в испарении графита при помощи лазера (H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C.O'Brien, R.F. Curl & R.E. Smolley // Nature, 1985. V.318. P162). Испарение графита осуществляется в среде гелия. Гелий подается импульсами на время порядка 10^-3 с. Лазер включается в середине времени истока гелия. Испаряющийся материал захватывается потоком гелия, смешивается, охлаждается и затем конденсируется. Данный способ реализуется в устройстве для получения фуллеренсодержащей сажи, которое содержит испаряющий лазер, вращающийся графитовый диск и канал для подачи гелия (H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C.O'Brien, R.F. Curl & R.E. Smolley // Nature, 1985. V.318. P162) (аналог). Иногда в конце канала устанавливалась интегрирующая чаша, увеличивающая время кластеризации перед началом сверхзвукового расширения.

Недостатком указанных способа и устройства является малое количество испаряемого графита и, соответственно, незначительное количество получаемой фуллеренсодержащей сажи.

Известен способ получения углеродных наноструктур (фуллеренов, нанотрубок и др.) плазмохимическим способом (Власов В.И., Залогин Г.Н., Кусов А.Л. Сублимация частиц углерода в плазменном потоке, генерируемом в высокочастотном индукционном плазмотроне // ЖТФ, 2007, Т.77. Вып.1. С.1-7.). Он основан на сублимации частиц углерода в потоке высокочастотной плазмы инертных газов с последующей конденсацией паров на охлаждаемом сажеуловителе. Этот же способ может быть реализован дли получения нанопорошков различных металлов, а также их оксидов, нитридов, карбидов и т.д. и нанесения покрытий различного назначения.

Недостатками данного способа являются низкое содержание фуллеренов в образовавшейся саже и трудности технической реализации, связанные с использованием высокочастотного излучения.

Известен также способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, включающий в себя операцию испарения графита в дуговом разряде. Разряд зажигается в атмосфере гелия при давлении 100 Торр. Для получения дугового разряда используется переменный ток I=100-200 А с частотой f=60 Гц и напряжением U=20-30 В (Robert E. Haufler, Richard E. Smalley. Electric arc process for making fullerenes. United States Patent. US 5227038. Jul. 13, 1993) (прототип).

Наиболее близким к устройству для получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, является разрядное устройство (Robert E. Haufler, Richard E. Smalley. Electric arc process for making fullerenes. United States Patent. US 5227038. Jul. 13, 1993), содержащее два графитовых электрода, токоподводящие шины, расположенные в охлаждаемом водой медном полом цилиндре. При зажигании дугового разряда между графитовыми электродами углерод, испарившийся с анода, вылетает из межэлектродного пространства и в виде сажи оседает на внутренней поверхности охлаждаемого медного полого цилиндра.

Недостатком указанных способа и устройства является то, что сажа, содержащая фуллерены и нанотрубки, получается в этом случае за счет испарения материала графитовых электродов и диффузии углеродных паров к стенкам охлаждаемого медного полого цилиндра, что существенно ограничивает скорость технологического процесса.

Задачами (целью) изобретения являются получение сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, в высоковольтном сильнонеравновесном электрическом разряде путем разложения углеводородного сырья, в частности отходов нефтепереработки, увеличение скорости получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки.

Указанные задачи достигаются тем, что в способе получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, заключающемся в разложении углеродосодержащего сырья электрическим разрядом, разложение углеродосодержащего сырья осуществляют в высоковольтном сильнонеравновесном электрическом разряде (в тлеющем разряде) при давлении 20-50 Торр, а в качестве углеродосодержащего сырья используют жидкие углеводороды, которыми покрывают поверхность катода слоем толщиной 1-4 мм.

Решение технической задачи в разрядном устройстве для получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, включающем анод и катод, изготовленные из меди, токоподводящие к ним шины, достигается тем, что катод, расположен в диэлектрической кювете и покрыт слоем углеводородного сырья, толщиной до 4 мм. Разрядное устройство устанавливают внутри вакуумного шкафа. В качестве углеводородного сырья могут быть, например, мазут, нефть, битум.

На фиг.1 приведено разрядное устройство для получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, из углеводородного сырья, содержащее катод 1 и анод 2, токоподводящие к ним шины 3. Катод 1, расположен в диэлектрической кювете 4 и покрыт слоем углеводородного сырья 5.

Рассмотрим осуществление способа получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, и работу устройства для получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки. Разрядное устройство устанавливают внутри вакуумного шкафа 6. Сначала в вакуумном шкафе 6 создают вакуум и затем подают рабочий газ. Давление рабочего газа в вакуумном шкафе 6 должно быть порядка 30 Торр. После этого подают электрическое напряжение на катод 1 и анод 2, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка и установления разряда, например 4 кВ. Наблюдаемая область разряда самопроизвольно перемещается по поверхности слоя углеводородного сырья 5, одновременно разогревая и разжижая его. При взаимодействии плазмы разряда с жидким углеводородным сырьем 5 происходит разрыв связей длинных углеводородных молекул и появляется атомарный углерод. В электрическом разряде атомы углерода присоединяют электроны и как отрицательно заряженные частицы движутся к аноду 2 разрядного устройства и накапливаются на нем в виде сажи. Также, часть сажи, содержащая фуллерены и нанотрубки, уносится конвективным тепловым потоком рабочего газа и оседает на стенках вакуумного шкафа 6.

Рекомендуемый диапазон толщины жидкого углеводородного слоя на катоде определяется следующими соображениями. Зажигание разряда происходит при приложении напряжения в несколько киловольт, после чего должен реализоваться самостоятельный высоковольтный (тлеющий) разряд. В слое жидких углеводородов появляются газопаровые нити, по ним и далее над поверхностью жидкого углеводородного слоя горит тлеющий разряд. Если толщина слоя жидких углеводородов будет больше, то не происходит пробоя межэлектродного промежутка с последующим образованием самостоятельного тлеющего разряда. Если же толщина слоя жидких углеводородов будет меньше 1 мм, разряд сам расчищает область катода, необходимую для горения нормального тлеющего разряда, однако при этом не происходит эффективное разбиение молекул углеводородов.

В качестве рабочего газа может быть использован, например, гелий, аргон и т.д. Как показали эксперименты, вид рабочего газа влияет на скорость образования фуллеренсодержащей сажи, однако ее образование происходит во всех случаях.

В предлагаемом изобретении образование сажи происходит при напряжении разряда более 600 В, выделение углерода происходит за счет бомбардировки углеводородов электронами и ионами.

Проведенные эксперименты с использованием в качестве жидкого углеводорода мазута показали, что разрядное устройство обладает высокой производительностью сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, а также малыми энергозатратами (1 кВт·ч электроэнергии на 5 граммов сажи), что связано с высокими напряжениями (более 600 В) и малыми токами разряда (менее 150 мА). Эксперимент показал, что при давлениях меньше 10 Topр образование сажи не наблюдалось.

Разрядное устройство можно масштабировать, располагая в вакуумном шкафу вместо одного анода блок анодов, запитываемых через отдельные балластные сопротивления. При этом в вакуумном шкафу объемом 5 м³ можно получить до 100 г сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, за 1 час работы.