CC BY
34
С 1Ь 6 X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 7 (112)
3. Y. Gimeno. Electrochemical Formation of Palladium Islands on HOPG: Kinetics, Morphology, and Growth Mechanisms./ Y. Gimeno, A. Herna ndez Creus, P. Carro, S. Gonza lez, R. C. Salvarezza and A. J. Arvia //J. Phys. Chem. B, 2002. 106. P. 4232-4244.
УДК 661.66
K.C. Зараменских, E.B. Жариков, A.H. Коваленко, Л.Д. Исхакова*, П.П. Файков
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия *Научный центр волоконной оптики РАН, Москва, Россия
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ НА СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР КАТАЛИТИЧЕСКИМ
ПИРОЛИЗОМ ЭТАНОЛА НА Ni/(Ni0+Y203) КАТАЛИЗАТОРЕ
The synthesis of fibrous carbon nanostructures by catalytic pyrolysis of ethanol using new Ni/(Ni0+Y203) catalyst was carried out. The catalyst has been produced by modified sol-gel technique. The influence of temperature conditions of synthesis on phase content of the samples and the ratio of structures produced was investigated. The mechanism of carbon nanotubes and nanofi-bres formation in case of non-complete reduction of oxide component of catalyst material was proposed.
Синтезированы волокнистые углеродные наноструктуры пиролизом этанола на Ni/(Ni0+Y20;,) катализаторе, полученном модифицированным золь-гель методом. Исследовано влияние температурных условий образования углеродного депозита на фазовый состав образцов и количественное соотношение получаемых структур. На основании результатов анализа образцов предложен возможный механизм образования углеродных нанотрубок и нановолокон на данном катализаторе при условии неполного восстановления оксидной составляющей материала катализатора.
Углеродные нанотрубки (УНТ) являются перспективным материалом для использования в электронике, медицине, для создания катализаторов, новых композиционных материалов, а также в других областях [1]. При синтезе УНТ методом каталитического пиролиза углеводородов можно достаточно легко управлять качеством получаемых наноструктур и эффективно увеличивать их выход, варьируя технологические параметры процесса [2]. При выборе условий синтеза особое внимание следует уделять составу, виду и способу ввода катализатора, так как именно он является ключевым фактором и мощным инструментом для управления качеством углеродных НТ [3]. Использование золь-гель технологии для изготовления катализатора позволяет получать материал, содержащий наночастицы металла заранее заданного и одинакового размера, что в последующем определяет однородность получаемых УНТ [4-5].
В настоящем исследовании для синтеза углеродных наноструктур использовали №/(№0+У20з) катализатор, полученный модифицированным золь-гель методом. Материал состоял из агломерированных тонких пластинок толщиной около 10 нм и шириной до 3 мкм, состоящих в основном из
9
С 1h 6 X Uz в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 7 (112)
смеси оксидов №0 и Y2O3 с включениями наночастиц Ni размером 3-5 им, при этом частицы № были покрыты снаружи и отделены друг от друга оксидной прослойкой. Важным достоинством используемого в настоящей работе катализатора являются уже сформированные на этапе синтеза металлические наночастицы, состоящие в основном из Ni, что обеспечивает рост НТ, и содержащие Y только в поверхностном слое, что может способствовать зарождению тонких трубок без отравления частиц.
Перед синтезом катализатор диспергировали ультразвуком в этиловом спирте в течение 20 мин, полученный раствор наносили на кварцевую подложку, высушивали и помещали в печь пиролиза. Образцы углеродного депозита были получены каталитическим пиролизом этанола, подаваемого с помощью ультразвукового диспергатора. Процесс проводили на установке с горизонтальной однозонной печью пиролиза в атмосфере аргона при скорости его подачи 115 мл/мин. В реакторе поддерживалось давление 0,2 атм, номинальную температуру синтеза варьировали в интервале 600-700°С.
Анализ полученных продуктов производился с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгенофазового анализа (РФА). Исследование морфологии образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM-5910LV. Образцы для микроскопии также подвергались диспергированию ультразвуком в этиловом спирте в течение 20 мин и осаждались на алюминиевую пластину. РФА продуктов синтеза проводился методом порошка на рентгеновском дифрактометре ДРОН-ЗМ (СиКа-излучение).
По данным СЭМ образцы, полученные при номинальной температуре синтеза 700°С в низкотемпературных зонах печи в диапазоне 400 - 620°С, состояли в основном из волокон диаметром от 50 нм. На рентгенограммах образцов присутствуют пики, характерные для фаз №зО, NiO и Y2O3, что наряду с увеличением интенсивности пиков Ni по сравнению с рентгенограммой исходного катализатора свидетельствует о частичном восстановлении материала катализатора в процессе синтеза. Можно предположить, что именно присутствие остаточного количества оксидов и являлось необходимым условием эффективного образования углеродных нанотрубок и нано-волокон, так как только при неполном восстановлении катализатора возможно предотвращение слияния наноразмерных частиц металла в значительно более крупные, не проявляющие каталитической активности.
В то же время образец, полученный в высокотемпературной центральной зоне печи (Т > 620°С), в основном содержал значительно меньшее количество волокон. Одновременно на рентгенограмме образца из этой зоны наблюдается исчезновение пиков оксидных фаз при значительном возрастании интенсивности пика углерода по сравнению с остальными образцами. Вероятно, вследствие наиболее интенсивного разложения этанола при более высокой температуре произошло максимальное восстановление материала катализатора и последующее зауглероживание крупных частиц катализатора фазами графита и аморфного углерода, что затруднило рост волокнистых структур в больших количествах.
С 11 € X U/ в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 7 (112)
С понижением номинальной температуры синтеза до 600°С мы наблюдаем уменьшение количества образующихся волокон во всех зонах печи, при этом их диаметры уменьшаются. Это связано с недостаточно высокой температурой процесса, при которой каталитически активны только более мелкие частицы катализатора, образующиеся в меньших количествах, а более крупные частицы склонны к зауглероживанию.
Таким образом, на основании результатов анализа образцов установлен характер влияния температурных условий образования углеродного депозита на фазовый состав образцов и количественное соотношение получаемых структур. Предложен возможный механизм образования углеродных нанотрубок и нановолокон на данном катализаторе, в соответствии с которым синтез волокнистых углеродных наноструктур происходит при условии неполного восстановления материала катализатора, контроль которого можно осуществить, варьируя технологические параметры процесса.
Библиографические ссылки
1. M.S. Dresselhaus. Science of Fullerene and Carbon Nanotubes/ M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.C. Eklund. San Diego, CA, Academic Press, 1995.
2. O.T. Heyning. A low cost method for the direct synthesis of highly Y-branched nanotubes3/ O.T. Heyning, P. Bernier, M. Glerup.// Chemical Physics Letters, 2005. 409. P. 43-47.
4. Жариков E.B. О перспективах развития технологии получеия углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза углеводородов/ Е.В. Жариков, С.Ю. Царева, А.Н. Коваленко//Материалы электронной техники, 2002. №3. С. 4-10.
5. Ning Y. Bulk production of multi-wall carbon nanotube bundles on sol-gel prepared catalyst./ Ning Y., Zhang X., Wang Y., Sun Y., Shen L., Yang X., and Van Tendeloo G.I I Chem. Phys. Lett., 2002. 366. P. 555.
6. Kim Yen Tran. Carbon nanotubes synthesis by the ethylene chemical catalytic vapour deposition (CCVD) process on Fe, Co, and Fe-Co/Al203 sol-gel catalysts./ Kim Yen Tran, Benoit Heinrichs, Jean-Francois Colomer, Jean-Paul Pirard, Stephanie Lambert// Applied Catalysis A: General 318, 2007. P. 63-69.
УДК 535.442
В.А. Залуев, М.Ю. Королева
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
Simulation of photonic crystals formation in cubic sell as a result of monodispersed particle deposition was carried out. Mathematical program for the control of sedimentation velocity and visualization of sediment formation was developed.
