Синтез и модификация углеродных наноструктурированных материалов при помощи микроволнового излучения
Авторы проекта
Акинин Георгий
11 класс
Гильмияров Максим
11 класс
Научный руководитель
Зверев Антон Сергеевич, доцент кафедры химии твердого тела и химического материаловедения КемГУ,
преподаватель ЦДНТ «Интеллектуал КемГУ», г. Кемерово (Кемеровская область)
Цель проекта
Разработка метода синтеза углеродного наноструктурированного материала и установки для проведения синтеза. Синтез пробных партий углеродного материала и исследование его свойств.
Краткое описание проекта
Проект направлен на разработку метода, позволяющего как декорировать поверхности пористых углеродных материалов углеродными нанотрубками, так и сочетать карбонизацию различного органического сырья для получения углеродных материалов с развитой поверхностью и одновременным их декорированием углеродными нанотрубками, содержащими ядра металла-катализатора. В основе метода лежит процесс роста углеродных нанотрубок на металлическом катализаторе на поверхности графита под действием микроволнового излучения в отсутствии окислительной атмосферы. В данном проекте мы поставили цель усовершенствовать методику синтеза, приблизив её к малотоннажному промышленному производству, а также провести исследования возможности получения углеродных материалов с декорированной нанотрубками поверхностью из различного сырья. Нами был разработан прототип установки для синтеза углеродного материала на базе бытовой микроволновой печи мощностью 1050 Вт, из которой был извлечен электромотор, а в отверстие для его крепления был установлен штуцер для откачки вакуума и подачи инертного газа. Внутрь микроволновой печи устанавливался стеклянный колпак, что позволяло создать герметичный объем, в котором создавался вакуум или инертная аргоновая атмосфера. В получившийся объем помещаются керамические стаканы со смесью исходного материала и добавкой ацетата никеля, кобальта или железа. В качестве исходного углеродного материала может использоваться любой карбонизованный материал (графит, углеродные сорбенты, пирографит и т.д.), обладающий высокой электрической проводимостью. Ацетаты металла могут смешиваться с углеродным материалом в шаровой мельнице, либо осаждением ацетата на поверхность материала из раствора при выпаривании растворителя. Под действием микроволнового излучения углеродный материал разогревается до температур выше 1000 °С, что вызывает разложение ацетата цинка и восстановление до металла на углеродной поверхности. Образовавшаяся частица металла служит центром роста углеродной нанотрубки в анаэробной среде и центром окисления поверхности в кислородной атмосфере, при этом образуется каверна с металлическим ядром внутри. Если поместить над разогретым реагирующим слоем некарбонизованного материала, смешанный с ацетатом металла, то можно ожидать его постепенную карбонизацию и увеличение проводимости. Дальнейший дополнительный разогрев за счет поглощенного микроволнового излучения должен обеспечить процесс роста углеродных нанотрубок. Таким образом, в качестве сырья для синтеза пористых наноструктурированных углеродных материалов можно использовать широкий круг сырья, включая, например, отходы углеперерабатывающей, сельскохозяйственной, лесоперерабатывающей промышленности, а также некоторые бытовые отходы (измельченные пластики, автомобильные покрышки и т.д.). При этом будет требоваться небольшое количество карбонизованного проводящего материала, способного запустить самораспространяющийся процесс карбонизации.
Результаты проекта
Предлагаемый в данном проекте метод синтеза открывает широкие перспективы для разработки катализаторов, варьируя состав металлических ядер и сырье для углеродной матрицы. Простота и экспрессность каждого отдельного синтеза позволяют проводить даже масштабные исследования в данном направлении в короткие сроки. Проект сочетает в себе два современных тренда в синтезе углеродных наноструктурированных функциональных материалов. Первое – это простой одностадийный синтез, и второе – потенциальная возможность использования широкого круга сырья, в том числе и маловостребованного или являющегося отходами других производств. Качественными результатами проекта являются наличие на поверхности материалов углеродных нанотрубок, увеличение удельной поверхности продукта относительно исходного углеродного материала, высокая электрическая проводимость материала.
Дальнейшее развитие проекта
Подбор оптимального сырья и условий синтеза пористых углеродных наноструктурированных материалов для реализации конкретных производственных задач.