RU175915U1 - Graphene hydrogenation device during its synthesis - Google Patents
Graphene hydrogenation device during its synthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU175915U1 RU175915U1 RU2017130087U RU2017130087U RU175915U1 RU 175915 U1 RU175915 U1 RU 175915U1 RU 2017130087 U RU2017130087 U RU 2017130087U RU 2017130087 U RU2017130087 U RU 2017130087U RU 175915 U1 RU175915 U1 RU 175915U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- nozzle
- synthesis
- diameter
- plasmatron
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 66
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 title claims description 4
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 24
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 21
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 19
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 19
- 229920000997 Graphane Polymers 0.000 abstract description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 abstract description 3
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 15
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 7
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 7
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 7
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 7
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 3
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- 206010000060 Abdominal distension Diseases 0.000 description 1
- 235000018185 Betula X alpestris Nutrition 0.000 description 1
- 235000018212 Betula X uliginosa Nutrition 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 208000024330 bloating Diseases 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001936 parietal effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical group [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0095—Manufacture or treatments or nanostructures not provided for in groups B82B3/0009 - B82B3/009
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области нанотехнологий и предназначена для получения гидрированных графеновых пластин.Технический результат полезной модели заключается в том, что в устройстве для гидрирования графена при его синтезе, содержащем плазмотрон с двумя соосно расположенными наружным и внутренним электродами, имеющим тангенциальную подачу рабочего газа, к выходному сечению плазмотрона дополнительно присоединена насадка, представляющая собой полость с диаметром торцевой плоскости D=70÷100d и высотой h=25÷42 d, где d - диаметр выходного сечения плазмотрона, причем торцевая плоскость насадки выполнена с пристеночным кольцевым зазором для выхода газа площадью сечения S=3,5÷5,5d.Испарение непредельных углеводородов происходит в плазменной струе инертного газа, генерируемой плазмотроном. Образованный углеродный пар охлаждается и конденсируется в насадке в виде графеновых пластин, содержащих водород.Полезная модель позволяет упростить процесс синтеза гидрированного графена за счет сокращения этапа синтеза исходного графена с последующей очисткой от нежелательных примесей, повысить управляемость процесса, увеличить масштаб массового производства.The utility model relates to the field of nanotechnology and is intended to produce hydrogenated graphene plates. The technical result of the utility model is that in a device for hydrogenating graphene during its synthesis, containing a plasmatron with two coaxially located outer and inner electrodes having a tangential supply of working gas, the nozzle is additionally connected to the output section of the plasma torch, which is a cavity with the diameter of the end plane D = 70 ÷ 100d and height h = 25 ÷ 42 d, where d is the diameter of the outlet about the cross section of the plasma torch, and the end plane of the nozzle is made with a wall annular gap for gas exit with a cross-sectional area of S = 3.5 ÷ 5.5 d. Evaporation of unsaturated hydrocarbons occurs in a plasma jet of inert gas generated by the plasmatron. The formed carbon vapor is cooled and condensed in a nozzle in the form of graphene plates containing hydrogen. A useful model allows us to simplify the synthesis of hydrogenated graphene by reducing the synthesis stage of the initial graphene, followed by purification from undesirable impurities, increase the controllability of the process, and increase the scale of mass production.
Description
Полезная модель относится к области нанотехнологий и предназначена для получения графана, а именно гидрированного графена с разной концентрацией водорода. Полученный с помощью этой полезной модели графан может быть эффективно использован в биоэнергетике, в частности водородной энергетики: проблема компактного и безопасного хранения водорода в экоавтомобилях, термоядерной энергетики (проблема накопления изотопов водорода в реакторных материалах, что может привести к их катастрофическому разрушению.The utility model relates to the field of nanotechnology and is intended to produce graphane, namely hydrogenated graphene with different concentrations of hydrogen. The graphane obtained using this utility model can be effectively used in bioenergy, in particular, hydrogen energy: the problem of compact and safe storage of hydrogen in eco-cars, thermonuclear energy (the problem of accumulation of hydrogen isotopes in reactor materials, which can lead to their catastrophic destruction.
Графан - форма гидрированного графена, где атомы водорода присоединены к каждому атому углерода [J.O. Sofo, A.S. Chaudhari, G.D. Barber. Graphane: A two-dimensional hydrocarbon // Physical Review В. - V. 75, 153401 (2007). DOI: 10.1103/PhysRevB.75.153401].Grafan is a form of hydrogenated graphene, where hydrogen atoms are attached to each carbon atom [J.O. Sofo, A.S. Chaudhari, G. D. Barber. Graphane: A two-dimensional hydrocarbon // Physical Review B. - V. 75, 153401 (2007). DOI: 10.1103 / PhysRevB.75.153401].
Все известные в настоящее время методы получения графана состоят из нескольких этапов. На первом этапе получение графена одним из способов: методом химического осаждения паров, получение графена в электрической дуге, термическое разложение карбида кремния, эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности и т.п. Они позволяют формировать графен высокого качества, но являются достаточно длительными и дорогостоящими, так как предполагают использование сложного специфического оборудования и выполнение строгих технологических условий. В то же время для получения графена в свободном виде требуются специальные процедуры отделения и очистки. Вторая группа объединяет такие методы как микромеханическое расслоение графита, жидкофазное расслоение графита, окисление графита и т.п. Они более просты в реализации, но имеют существенные недостатки. Это, прежде всего, малая доля выхода графена требуемого качества и необходимость его очистки от сопутствующего материала и используемых технологических сред (Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А. и др. Графен: методы получения и теплофизические свойства. Успехи физических наук, 2011, т. 181, №3, с. 233-250). На втором этапе графен подвергают воздействию водородной плазмы или используют жидкофазные методы, построенные на модифицированном методе Берча (Н. Sahin,; О. Leenaerts,; S.K. Singh,; F.M. Peeters. 2015 Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 10.1002/wcms.l216).All currently known methods for producing graphane consist of several stages. At the first stage, graphene production is one of the methods: chemical vapor deposition, graphene production in an electric arc, thermal decomposition of silicon carbide, epitaxial growth on a metal surface, etc. They allow the formation of high quality graphene, but are quite long and expensive, as they involve the use of sophisticated specific equipment and the fulfillment of strict technological conditions. At the same time, to obtain free graphene, special separation and purification procedures are required. The second group combines such methods as micromechanical separation of graphite, liquid-phase separation of graphite, oxidation of graphite, etc. They are easier to implement, but have significant drawbacks. First of all, this is a small fraction of the yield of graphene of the required quality and the need for its purification from related material and used technological media (Eletsky A.V., Iskandarova I.M., Knizhnik A.A. et al. Graphene: production methods and thermophysical properties Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2011, v. 181, No. 3, pp. 233-250). At the second stage, graphene is exposed to hydrogen plasma or liquid-phase methods based on the modified Birch method are used (N. Sahin ,; O. Leenaerts ,; SK Singh,; FM Peeters. 2015 Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 10.1002 / wcms.l216 )
Технической задачей полезной модели является интенсификация процесса конденсации углеродного пара, образующегося при разложении углеродсодержащих материалов в плазмотроне, путем создания условий, при которых наряду с конденсацией пара на поверхности охлаждения значительное его количество может конденсироваться в ядре парогазового потока, что приводит к появлению области пересыщенной паром конденсирующегося компонента - области синтеза графанов. В целом, необходимым условием для конденсации пара в объеме является наличие пересыщенного пара. Следующим шагом является контроль скорости конденсации и температуры. Степень пересыщения, при которой начинается объемная конденсация пара, зависит от физических свойств пара, его концентрации в смеси и от наличия в парогазовой смеси центров конденсации. Экспериментально установлено, что величина степени пересыщения существенно зависит и от скорости парогазовой смеси. Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражена уравнением Клаузиуса-Клапейрона. Таким образом, для прямого синтеза графанов на основе плазмотрона необходимо:The technical task of the utility model is to intensify the process of condensation of carbon vapor generated during the decomposition of carbon-containing materials in the plasmatron by creating conditions under which, along with condensation of the vapor on the cooling surface, a significant amount of it can condense in the core of the gas-vapor flow, which leads to the appearance of a region of condensed vapor saturated component - the field of synthesis of graphans. In general, the presence of a supersaturated vapor is a prerequisite for condensation in a volume. The next step is to control the condensation rate and temperature. The degree of supersaturation at which volumetric vapor condensation begins depends on the physical properties of the vapor, its concentration in the mixture, and on the presence of condensation centers in the vapor-gas mixture. It was experimentally established that the degree of supersaturation also substantially depends on the speed of the gas-vapor mixture. The temperature dependence of saturated vapor pressure is expressed by the Clausius-Clapeyron equation. Thus, for the direct synthesis of graphanes based on a plasmatron, it is necessary:
1. Использование не только разрядного промежутка плазмотрона, но и плазменной струи. Так как плазмотрон практически не имеет ограничения по вкладываемой мощности, это позволит интенсивно испарять большие количества углерода и получать большое количество углеродного пара, и следовательно, исходного материала (атомов и ионов углерода и водорода) для формирования графанов.1. The use of not only the discharge gap of the plasma torch, but also of the plasma jet. Since the plasmatron has practically no restriction on the input power, this will allow intensively evaporating large quantities of carbon and obtaining a large amount of carbon vapor, and therefore, the source material (atoms and ions of carbon and hydrogen) to form graphans.
2. Формирование оптимизированной области синтеза. Создание турбулентной зоны достаточного объема с температурами, при которых происходит синтез графанов, повысит вероятность образования ароматических молекул. Наличие некоторой тепловой устойчивости образовавшихся молекул способствует их выходу из "горячей" зоны синтеза.2. Formation of an optimized synthesis region. The creation of a turbulent zone of sufficient volume with temperatures at which the synthesis of graphanes occurs will increase the likelihood of the formation of aromatic molecules. The presence of some thermal stability of the formed molecules promotes their exit from the “hot” synthesis zone.
3. Управление электронной плотностью в зоне синтеза. Поддержание оптимального значения концентрации электронов в области синтеза способствует образованию углеродных кластеров и последующему синтезу графанов, повысить его технологичность, производительность и надежность за счет использования насадки к плазмотрону.3. Control of electron density in the synthesis zone. Maintaining the optimal value of electron concentration in the synthesis area promotes the formation of carbon clusters and the subsequent synthesis of graphans, increase its manufacturability, productivity and reliability through the use of nozzles to the plasmatron.
Известно устройство, реализуемое в способе электродугового распыления графитового анода в атмосфере гелия (A.К. Zetti, M.L. Cohen, patent US №6063243, 11.05.2000). Здесь в качестве электродов используются цилиндрические графитовые стержни, по каналам которых в область дугового разряда подают азот и бор в качестве катализатора. Давление газа в рабочей камере составляет 650 Торр. При оптимальном режиме дугового разряда углерод кластеризуется с образованием углеродных нанотрубок на катоде.A device is known that is implemented in the method of electric arc spraying of a graphite anode in a helium atmosphere (A.K. Zetti, M.L. Cohen, patent US No. 6063243, 05/11/2000). Here, cylindrical graphite rods are used as electrodes, through whose channels nitrogen and boron are supplied as a catalyst to the region of the arc discharge. The gas pressure in the working chamber is 650 Torr. Under the optimal mode of arc discharge, carbon clusters with the formation of carbon nanotubes at the cathode.
Недостатком данного устройства является то, что оно не имеет приспособления для выделения целевого продукта, а задействует только торцевую поверхность анода для образования и сбора нанодисперсного углерода с различной примесью.The disadvantage of this device is that it does not have a device for isolating the target product, but only uses the end surface of the anode to form and collect nanodispersed carbon with various impurities.
Известно устройство для получения нанодисперсного углерода, включающее корпус с детонационной камерой и инициатор детонации, в котором детонационная камера выполнена в виде полузамкнутой резонансной камеры, на входе которой установлено кольцевое щелевое сверхзвуковое сопло для ввода приготовленной смеси, сформированное пористой торцевой и внутренней стенками резонансной камеры. (патент RU №2344074 С01В 31/00, 20.01.2009A device for producing nanodispersed carbon is known, including a housing with a detonation chamber and a detonation initiator, in which the detonation chamber is made in the form of a semi-closed resonance chamber, at the entrance of which there is an annular slotted supersonic nozzle for introducing the prepared mixture formed by the porous end and inner walls of the resonance chamber. (patent RU No. 2344074 С01В 31/00, 01/20/2009
Недостатком устройства является то, что непосредственно после реактора не предусмотрена насадка для улавливания дисперсного углерода из охлаждаемого потока.The disadvantage of this device is that immediately after the reactor there is no nozzle for trapping dispersed carbon from the cooled stream.
Известно (Анпилов A.M., Бархударов Э.М., Воронов В.В., Коссый И.А., Мисакян М.А., Тактакишвили М.И. XXXVI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. 8-10 февраля 2010) получение различных углеродных фаз с размерами частиц 1-10 нм с помощью импульсного периодического высоковольтного многоискрового разряда (длительность импульса тока τ=3-5 мкс; частота следования f≤50 Гц) в этиловом спирте с инжекцией аргона в межэлектродное пространство и последующим выпариванием жидкости. Материал, получаемый с помощью известного способа, представляет собой смесь различных углеродных фаз с наноразмерными частицами. Известный способ не позволяет получать наноструктурированный углеродный материал (нановолокнистый, наногубчатый), содержащий одну определенную фазу. Отсутствует насадка для сбора наноразмерных частиц.It is known (Anpilov AM, Barkhudarov E.M., Voronov V.V., Kossy I.A., Misakyan M.A., Taktakishvili M.I. XXXVI International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and TCB. February 8-10, 2010) obtaining various carbon phases with particle sizes of 1-10 nm using a pulsed periodic high-voltage multi-spark discharge (current pulse duration τ = 3-5 μs; repetition rate f≤50 Hz) in ethanol with argon injection into the interelectrode space and subsequent evaporation of the liquid. The material obtained using the known method is a mixture of various carbon phases with nanosized particles. The known method does not allow to obtain a nanostructured carbon material (nanofiber, nano-spongy) containing one specific phase. There is no nozzle for collecting nanosized particles.
Известен высокоресурсный плазмотрон для получения наноструктурированного технического углерода, содержащий внутренний и наружный соосно расположенные электроды, с тангенциальной подачей рабочего газа (патент KZ №23797 15.03.2011).Known high-resource plasmatron for producing nanostructured carbon black, containing internal and external coaxially arranged electrodes, with a tangential feed of working gas (patent KZ No. 23797 03/15/2011).
Недостатком устройства является низкая производительность, которая ограниченна пристеночной областью наружного и внутреннего электродов и близким их расположением с плазменной струей. Высокая скорость потока сдувает образовавшийся наноструктурированный углерод вместе с рабочим газом, а отсутствие устройства для улавливания наночастиц не позволяет собрать синтезированный продукт.The disadvantage of this device is its low productivity, which is limited by the parietal region of the outer and inner electrodes and their close location with a plasma jet. A high flow rate blows off the formed nanostructured carbon together with the working gas, and the absence of a device for trapping nanoparticles does not allow the synthesized product to be collected.
Наиболее близким из известных технических решений предлагаемой полезной модели является устройство, реализуемое в способе непрерывного получения графенов (патент RU №2556926 В82В 3/00, 30.05.2014).The closest known technical solutions of the proposed utility model is a device implemented in a method for the continuous production of graphenes (patent RU No. 2556926
Для синтеза графенов используется плазмотрон с двумя соосно расположенными наружным и внутренним электродами, имеющим тангенциальную подачу рабочего газа, и присоединенной к выходному сечению плазмотрона насадкой цилиндрической формы. Такая насадка обеспечивает равномерный нагрев газовой смеси в любом поперечном сечении цилиндра, за счет чего и температура, и состав газов должны быть одинаковыми. Таким образом, создаются высокие температуры в объеме (выше 500°C), которые позволяют синтезировать графен.For the synthesis of graphenes, a plasmatron is used with two coaxially located outer and inner electrodes having a tangential supply of the working gas, and a cylindrical nozzle attached to the output section of the plasma torch. Such a nozzle provides uniform heating of the gas mixture in any cross section of the cylinder, due to which both the temperature and the composition of the gases should be the same. Thus, high temperatures are created in the volume (above 500 ° C), which allow the synthesis of graphene.
Недостатком устройства является то, что для синтеза гидрированного графена, графена в структуре которого находится водород, такая конструкция насадки не обеспечивает градиент температур в пространстве с тем, чтобы водород не десорбировал из структуры.The disadvantage of this device is that for the synthesis of hydrogenated graphene, graphene in the structure of which is hydrogen, such a nozzle design does not provide a temperature gradient in space so that hydrogen does not desorb from the structure.
Технической задачей полезной модели является получить гидрированный графен прямым синтезом, конструктивно упростить способ получения, повысить его технологичность, производительность и надежность за счет использования насадки к плазмотрону. Основной путь, по которому велись исследования, - это резкое повышение единичной мощности оборудования и создание блочной схемы технологической линии "сырье - бункер готовой продукции".The technical task of the utility model is to obtain hydrogenated graphene by direct synthesis, to constructively simplify the production method, to increase its manufacturability, productivity and reliability by using the nozzle to the plasmatron. The main path along which the research was conducted was a sharp increase in the unit capacity of the equipment and the creation of a block diagram of the "raw materials - finished goods bin" technological line.
Технический результат полезной модели заключается в том, что развивая идею "блочности", в устройстве для гидрирования графена при его синтезе, содержащем плазмотрон с двумя соосно расположенными наружным и внутренним электродами, имеющим тангенциальную подачу рабочего газа, и присоединенной к выходному сечению плазмотрона насадкой, представляющей собой полость с диаметром торцевой плоскости D=70÷100d и высотой h=25÷42d, где d - диаметр выходного сечения плазмотрона, причем торцевая плоскость насадки выполнена с пристеночным кольцевым зазором для выхода газа площадью сечения S=3,5÷5,5d.The technical result of the utility model is that developing the idea of "blocking" in a device for hydrogenation of graphene during its synthesis, containing a plasmatron with two coaxially located outer and inner electrodes having a tangential supply of working gas and a nozzle attached to the output section of the plasmatron, representing a cavity with a diameter of the end plane D = 70 ÷ 100d and a height h = 25 ÷ 42d, where d is the diameter of the output section of the plasma torch, and the end plane of the nozzle is made with a wall annular gap for gas exit with a cross-sectional area S = 3.5 ÷ 5.5d.
Заявленные размеры насадки: диаметр торцевой плоскости D=70÷100d и высота h=25÷42d, где d - диаметр выходного сечения плазмотрона, необходимы, так как обеспечивают высокую скорость охлаждения парогазовой смеси и образования твердой фазы.The declared nozzle dimensions: the diameter of the end plane D = 70 ÷ 100d and the height h = 25 ÷ 42d, where d is the diameter of the output section of the plasma torch, are necessary, since they provide a high cooling rate of the vapor-gas mixture and the formation of a solid phase.
Угол раскрытия насадки при D=70÷100d и высоте h=25÷42d позволяет создавать зоны турбулентности, обеспечивающие широкую зону синтеза целевого продукта. Превышение найденного соотношения приведет к увеличению количества центров роста наноструктур и, таким образом, к получению на выходе сажи. Уменьшение угла раскрытия - к формированию аморфного углерода и графитизированных частиц.The nozzle opening angle at D = 70 ÷ 100d and height h = 25 ÷ 42d allows you to create turbulence zones that provide a wide synthesis zone of the target product. Exceeding the found ratio will lead to an increase in the number of growth centers of nanostructures and, thus, to produce soot at the output. A decrease in the opening angle leads to the formation of amorphous carbon and graphitized particles.
Пристеночный кольцевой зазор площадью сечения S=3,5÷5,5d торцевой плоскости насадки необходим для выхода рабочего газа.A near-wall annular gap with a cross-sectional area S = 3.5 ÷ 5.5d of the end plane of the nozzle is necessary for the outlet of the working gas.
Использование насадки к плазмотрону усиливает центральный поток парогазовой смеси, создает зону турбулентности, обеспечивает температурный градиент, интенсифицирует процесс конденсации углеродного пара и повышает эффективность осаждения целевого продукта.Using the nozzle to the plasmatron enhances the central flow of the gas-vapor mixture, creates a turbulence zone, provides a temperature gradient, intensifies the process of carbon vapor condensation and increases the deposition efficiency of the target product.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:The proposed device has the following advantages:
1. Смешивание непредельных углеводородов и рабочего газа происходит до ввода в плазмотрон, что позволяет варьировать их соотношение в потоке;1. The mixing of unsaturated hydrocarbons and the working gas occurs before entering the plasmatron, which allows you to vary their ratio in the stream;
2. Скорость охлаждения получаемого углеродного пара изменяется в широких пределах;2. The cooling rate of the resulting carbon vapor varies widely;
3. Не требуется предварительного синтеза графена.3. No preliminary synthesis of graphene is required.
На рис. 1 представлена схема устройства для гидрирования графена при его синтезе.In fig. 1 shows a diagram of a device for the hydrogenation of graphene during its synthesis.
Устройство состоит из плазмотрона 1, содержащего внутренний 2 и наружный 3 соосно расположенные электроды, с тангенциальной подачей рабочего газа 4. К выходному сечению 5 плазмотрона 1 присоединена насадка 6, имеющая в торцевой плоскости пристеночный кольцевой зазор 7 для выхода газа.The device consists of a
На рис. 2 представлена морфология гидрированных графеновых пластин.In fig. 2 shows the morphology of hydrogenated graphene plates.
Полезная модель работает следующим образом.The utility model works as follows.
Плазмотрон 1 подключают к источнику питания (на схеме не указан). В корпус внутреннего электрода 2 подают охлаждающую воду. Рабочий газ, например аргон, подают при давлении в реакторе 350 мм. рт.ст. Зажигается дуга при 150 А, затем ток повышают до 300 А. Эта величина тока обеспечивает стабильность горения дуги. Скорость расхода рабочего газа составляет 3 г/с. После установления постоянного градиента температур в насадке 6, определяемым по показаниям хромель-копелевых термопар (на схеме не указаны), между электродами 2 и 3 подают углеродсодержащий газ, например, метан со скоростью расхода 0.3 г/с. При этом выдерживают соотношение расходов углеводородов и рабочего газа не менее, чем на порядок. В начальный момент происходит скачек мощности плазмотрона с 28 кВт до 35-40 кВт и затем остается постоянным в течение всего процесса синтеза. В разрядном промежутке происходит образование водорода и углеродного пара. По мере продвижения парогазовой смеси в плазмотроне 1 в центральной зоне потока формируются центры гомогенной нуклеации углерода.The
При попадании потока в резко расширяющуюся полость насадки 6, происходит веерное перераспределение потока, что ускоряет его охлаждение. Затем поток, отражаясь от торцевой плоскости насадки 6, сталкивается со встречным горячим потоком. Формируется зона пересыщенного пара, в которой происходит рост углеродной структуры, содержащей водород. Температура зоны не превышает 500°C. В противном случае водород десорбируется и образуется графен.When the flow enters the sharply expanding cavity of the
Для повышения эффективности осаждения целевого продукта насадка 6 может быть дополнительно снабжена рубашкой из утеплителя.To increase the deposition efficiency of the target product, the
Для увеличения производительности процесса пристеночный кольцевой зазор 7 насадки 6 для выхода газа может быть снабжен фильтрами.To increase the productivity of the process, the wall annular gap 7 of the
В качестве углеводородов используются предельные и непредельные углеводороды (метан, ацетилен, пропан, бутан), а также жидкие (этанол).As hydrocarbons, saturated and unsaturated hydrocarbons (methane, acetylene, propane, butane), as well as liquid (ethanol), are used.
В качестве рабочего газа могут использоваться инертные газы (аргон, гелий) и химически активные газы (азот).Inert gases (argon, helium) and chemically active gases (nitrogen) can be used as the working gas.
В предлагаемой полезной модели конструкция насадки (конусоподобная) обеспечивает неравномерный по оси отвод тепла, за счет чего образуется градиент температур и водород, образующийся при конверсии углеродсодержащих газов, которые и являются источником углерода и водорода, остается адсорбированным на поверхности графена.In the proposed utility model, the nozzle design (cone-shaped) provides heat removal non-uniform along the axis, due to which a temperature gradient is formed and hydrogen generated during the conversion of carbon-containing gases, which are the source of carbon and hydrogen, remains adsorbed on the graphene surface.
На рис. 2 - это области со вздутием, наполненные водородом. Известно, что отличие морфологий графена и гидрированного графена, именно в присутствии на поверхности хлопьев областей со вздутием, возвышающихся над плоскостью. При проведенных термических исследованиях - термогравиметрии на воздухе и в среде аргона, из структур выделяется водород при характерных температурах 300, 800 и 1200°C. Затем после охлаждения структуры набирают водород из среды.In fig. 2 are bloated areas filled with hydrogen. It is known that the morphologies of graphene and hydrogenated graphene differ, precisely in the presence on the surface of the flakes of regions with bloating, rising above the plane. During thermal studies - thermogravimetry in air and argon, hydrogen is released from the structures at characteristic temperatures of 300, 800 and 1200 ° C. Then, after cooling the structure, hydrogen is collected from the medium.
Полезная модель обеспечивает условия для синтеза гидрированного графена, т.е. структуры содержащей водород, а не модифицирует предварительно синтезированный графен водородом, что позволяет упростить процесс синтеза гидрированного графена, повысить технологичность процесса, его производительность и надежность.The utility model provides conditions for the synthesis of hydrogenated graphene, i.e. structures containing hydrogen, but does not modify pre-synthesized graphene with hydrogen, which simplifies the synthesis of hydrogenated graphene, improves the processability, its productivity and reliability.
Примеры исполнения полезной моделиUtility Model Execution Examples
Пример 1. Реализовано устройство для получения гирированных графеновых пластин, в котором происходил пиролиз пропан-бутановой смеси в плазме гелия и конденсацией твердого продукта синтеза в насадке с геометрией: высота 420 мм, диаметр выходного сечения плазмотрона 10 мм, диаметр торцевой плоскости - 644 мм. Морфология наноструктур - графеновые пластинки (Рис. 2). Производительность составила 50 г/час.Example 1. A device for producing gyrated graphene plates was realized, in which the propane-butane mixture was pyrolyzed in helium plasma and the solid synthesis product was condensed in a nozzle with geometry: height 420 mm, diameter of the exit section of the plasma torch 10 mm, diameter of the end plane - 644 mm. The morphology of nanostructures is graphene plates (Fig. 2). Productivity was 50 g / hour.
Пример 2. Реализовано устройство для получения гирированных графеновых пластин, в котором происходил пиролиз пропан-бутановой смеси в плазме гелия и конденсацией твердого продукта синтеза в насадке с геометрией: высота 600 мм, диаметр выходного сечения плазмотрона 10 мм, диаметр торцевой плоскости - 900 мм. Морфология наноструктур - сажа и графитовые частицы. Производительность составила 30 г/ч.Example 2. A device for producing gyrated graphene plates was realized in which the propane-butane mixture was pyrolyzed in helium plasma and the solid synthesis product was condensed in a nozzle with a geometry: height 600 mm, diameter of the exit section of the plasma torch 10 mm, diameter of the end plane - 900 mm. Morphology of nanostructures - soot and graphite particles. Productivity was 30 g / h.
Пример 3. Реализовано устройство для получения гирированных графеновых пластин, в котором происходил пиролиз пропан-бутановой смеси в плазме гелия и конденсацией твердого продукта синтеза в насадке с геометрией: высота 220 мм, диаметр выходного сечения плазмотрона 10 мм, диаметр торцевой плоскости - 454 мм. Морфология наноструктур - наноонионы (Рис. 2). Производительность составила 0,15 г/мин.Example 3. A device for producing gyrated graphene plates was realized, in which the propane-butane mixture was pyrolyzed in helium plasma and the solid synthesis product was condensed in a nozzle with geometry: height 220 mm, diameter of the output section of the plasma torch 10 mm, diameter of the end plane 454 mm. The morphology of nanostructures is nanoionions (Fig. 2). Productivity was 0.15 g / min.
Пример 4. Реализовано устройство для получения гирированных графеновых пластин, в котором происходил пиролиз пропан-бутановой смеси в плазме гелия и конденсацией твердого продукта синтеза в насадке с геометрией: высота 420 мм, диаметр выходного сечения плазмотрона 10 мм, диаметр торцевой плоскости - 644 мм. Морфология наноструктур - графеновые пластинки. На графитовой подложке образовались нанотрубки. Производительность составила 0,5 г/мин.Example 4. A device for producing gyrated graphene plates was realized in which the propane-butane mixture was pyrolyzed in helium plasma and the solid synthesis product was condensed in a nozzle with geometry: height 420 mm, diameter of the exit section of the plasma torch 10 mm, diameter of the end plane - 644 mm. Morphology of nanostructures - graphene plates. Nanotubes formed on a graphite substrate. Productivity was 0.5 g / min.
Пример 5. Реализовано устройство для получения гирированных графеновых пластин, в котором происходил пиролиз пропан-бутановой смеси в плазме гелия и конденсацией твердого продукта синтеза в насадке с геометрией: высота 420 мм, диаметр выходного сечения плазмотрона 10 мм, диаметр торцевой плоскости - 644 мм. Морфология наноструктур - короткие нанотрубки с ответвлениями. Производительность составила 25 г/час.Example 5. A device for producing gyrated graphene plates was realized, in which the propane-butane mixture was pyrolyzed in helium plasma and the solid synthesis product was condensed in a nozzle with geometry: height 420 mm, diameter of the output section of the plasma torch 10 mm, diameter of the end plane - 644 mm. Morphology of nanostructures - short nanotubes with branches. Productivity was 25 g / hour.
Заявляемая полезная модель позволяет получать углеродные наноматериалы различной морфологии в зависимости от условий синтеза и с высокой производительностью.The inventive utility model allows to obtain carbon nanomaterials of various morphologies, depending on the synthesis conditions and with high productivity.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017130087U RU175915U1 (en) | 2017-08-25 | 2017-08-25 | Graphene hydrogenation device during its synthesis |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017130087U RU175915U1 (en) | 2017-08-25 | 2017-08-25 | Graphene hydrogenation device during its synthesis |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU175915U1 true RU175915U1 (en) | 2017-12-22 |
Family
ID=63853521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017130087U RU175915U1 (en) | 2017-08-25 | 2017-08-25 | Graphene hydrogenation device during its synthesis |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU175915U1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6063243A (en) * | 1995-02-14 | 2000-05-16 | The Regents Of The Univeristy Of California | Method for making nanotubes and nanoparticles |
| US6099696A (en) * | 1993-02-05 | 2000-08-08 | Armines | Conversion of carbon or carbon-containing compounds in a plasma |
| RU2556926C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук | Method of continuous production of graphenes |
-
2017
- 2017-08-25 RU RU2017130087U patent/RU175915U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6099696A (en) * | 1993-02-05 | 2000-08-08 | Armines | Conversion of carbon or carbon-containing compounds in a plasma |
| US6063243A (en) * | 1995-02-14 | 2000-05-16 | The Regents Of The Univeristy Of California | Method for making nanotubes and nanoparticles |
| RU2556926C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук | Method of continuous production of graphenes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10640378B2 (en) | Induction-coupled plasma synthesis of boron nitrade nanotubes | |
| US20200230566A1 (en) | Method and device to synthesize boron nitride nanotubes and related nanoparticles | |
| US20210257189A1 (en) | Apparatus and method for plasma synthesis of carbon nanotubes | |
| US8486364B2 (en) | Production of graphenic carbon particles utilizing methane precursor material | |
| RU2425795C2 (en) | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas | |
| RU2234457C2 (en) | Method of production of fulleren-containing carbon black and a device for its realization | |
| EP3567130B1 (en) | Reactor for fabrication of graphene | |
| WO2012067546A2 (en) | Device for producing of fullerene-containing soot | |
| RU2455119C2 (en) | Method to produce nanoparticles | |
| CA2748064A1 (en) | Method and apparatus for recovering carbon filamentary structures | |
| WO2015082936A1 (en) | Process and apparatus for the production of carbon nanotubes | |
| Amirov et al. | Synthesis of carbon nanotubes by high current divergent anode-channel plasma torch | |
| Harbec et al. | Carbon nanotubes from the dissociation of C2Cl4 using a dc thermal plasma torch | |
| RU175915U1 (en) | Graphene hydrogenation device during its synthesis | |
| JP2003238129A (en) | Method of manufacturing carbon nanotube | |
| RU2556926C1 (en) | Method of continuous production of graphenes | |
| RU2447019C2 (en) | Method of producing carbon-containing nanotubes | |
| JP2010126390A (en) | Combustion generation method of carbon nanotube | |
| RU2344074C1 (en) | Method for obtaining nanodispersive carboneum (versions) and device for this effect | |
| JP2005060116A (en) | Method for manufacturing fine particle and manufacturing apparatus for fine particle | |
| RU2571150C2 (en) | Method of production of carbon nanotubes | |
| RU155457U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING CARBON NANOTUBES FROM SOOT | |
| Sharma | Control of Diameter during Cnt Synthesis in the Three Methods | |
| RU2180160C1 (en) | Method and device for producing fractal-like structure | |
| RU2531291C2 (en) | Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200826 |