RU2085484C1 - Method and apparatus for production of fullerenes - Google Patents
Method and apparatus for production of fullerenes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2085484C1 RU2085484C1 RU96122306/25A RU96122306A RU2085484C1 RU 2085484 C1 RU2085484 C1 RU 2085484C1 RU 96122306/25 A RU96122306/25 A RU 96122306/25A RU 96122306 A RU96122306 A RU 96122306A RU 2085484 C1 RU2085484 C1 RU 2085484C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fullerenes
- heating
- soot
- collectors
- carbon
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- 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
-
- 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
-
- 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
- C01B32/152—Fullerenes
- C01B32/154—Preparation
-
- 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
- C01B32/152—Fullerenes
- C01B32/156—After-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области процессов и аппаратуры для синтеза, очистки и разделения фуллеренов. The invention relates to the field of processes and apparatus for the synthesis, purification and separation of fullerenes.
Впервые синтез фуллеренов был описан как процесс испарения графитовых электродов при резистивном нагреве или в дуге в атмосфере инертного газа (Kraetsmer, et. al. "Solid C60: A new form of carbon", Nature, Vol.247, p. 354-357, on Sep. 27, 1990; "Production, characterization, and deposition of carbon clusters", Y.K. Bae, et. al. Clasters claster- assem.mater. 1991, p. 733-741 (Mater. res. soc.symp.proc. Vol. 206). Этот способ позволяет производить около 1 г смеси фуллеренов в част при содержании фуллеренов в саже до 15%
Известны и другие способы синтеза фуллереносодержащей сажи: лазерной абляцией ("The formation of hydrogenated carbon clasters by laser ablation", N. Zhang, et. al. Chem. Phys.Letters, 1993, Vol. 205, N 2/3, p.178-182; "Laser ablation of carbonaceous materials: a method to produce fullerens", E. Millon, et. al. C. R. Acad. Sci. 11, 1992, Vol. 315, N 8, p.947-953; "Production of fullerenes by near-infrared laser", L.Laska, Czech, J. Phys. 1993, Vol.43, N 2, p.193-195),
пиролизом и сжиганием ароматических углеводородов ("Calculated equilibrum yields of C60 from hidrocarbon pyrolysis and combustion", J.T. McKinnon, J.Phys.Chem. 1991, Vol. 95, N 22, p. 8941-8944; "Formation of C60 by pyrolysis of naphthalene", R.Taylor, et. al. Nature, 1993, Vol. 366, N 6457, p. 728-731; "Production of C60 and C70 fullerenes in benzene/oxigen flames", J.B.Howard, et. al. J.Phys. Chem. 1992, Vol.96, N 16, p.6657-6662; "Pyrolysis of KH carbon residues: a method of further production of fullerenes and specific formstion of C ", J.V.Weber, et. al. J.Anal. Appl. Pyrolysis, 1994, Vol. 29, N 1, p.1-14),
электрическим разрядом ("A simple technique of producing fullerenes from electrically discharged benzene and toluene", D.K.Modak, et. al. Indian J. Phys. A. 1993, Vol. 67, N 4, p.307-310),
в плазме ("Formation of fullerenes in MeV ion track plasmas", G.Brinkmalm, et. al. Chem. Phys. Letters, 1992, Vol. 191, N 3/4, p.345-350; "Novel method for C60 synthesis: a thermal plasma at atmospheric pressure", K. Yoshie, et. al. Appl. Phys. Letters, 1992, Vol. 61, N 23, p. 2782-2783),
в том числе лазерной ("Fullerenes from laser production plasma", P.S.R. Prasad, et. al. Phys. Stat. Sol. A. 1993, Vol. 139, N 1, p.K1-K5),
концентрированным солнечным светом ("Solar generation of fullerenes", L. P.F.Chibante, et. al. J.Phys. Chem. 1993, Vol. 97, N 34, p.8696-8700).For the first time, fullerene synthesis has been described as the process of evaporation of graphite electrodes by resistive heating or in an arc in an inert gas atmosphere (Kraetsmer, et. Al. "Solid C60: A new form of carbon", Nature, Vol. 247, p. 354-357, on Sep. 27, 1990; "Production, characterization, and deposition of carbon clusters", YK Bae, et. al. Clasters claster-assem.mater. 1991, p. 733-741 (Mater. res. soc.symp.proc Vol. 206). This method allows the production of about 1 g of a mixture of fullerenes in frequent with a content of fullerenes in soot up to 15%
Other methods for the synthesis of fullerene-containing soot are known: laser ablation ("The formation of hydrogenated carbon clasters by laser ablation", N. Zhang, et. Al. Chem. Phys. Letters, 1993, Vol. 205,
pyrolysis and combustion of aromatic hydrocarbons ("Calculated equilibrum yields of C60 from hidrocarbon pyrolysis and combustion", JT McKinnon, J.Phys. Chem. 1991, Vol. 95, No. 22, p. 8941-8944; "Formation of C60 by pyrolysis of naphthalene ", R. Taylor, et. al. Nature, 1993, Vol. 366, N 6457, p. 728-731;" Production of C60 and C70 fullerenes in benzene / oxigen flames ", JB Howard, et. al. J. Phys. Chem. 1992, Vol. 96,
electric discharge ("A simple technique of producing fullerenes from electrically discharged benzene and toluene", DK Modak, et. al. Indian J. Phys. A. 1993, Vol. 67, No. 4, p.307-310),
in plasma ("Formation of fullerenes in MeV ion track plasmas", G. Brinkmalm, et. al. Chem. Phys. Letters, 1992, Vol. 191, N 3/4, p. 345-350; "Novel method for C60 synthesis: a thermal plasma at atmospheric pressure ", K. Yoshie, et. al. Appl. Phys. Letters, 1992, Vol. 61, No. 23, p. 2782-2783),
including laser ("Fullerenes from laser production plasma", PSR Prasad, et. al. Phys. Stat. Sol. A. 1993, Vol. 139, No. 1, p. K1-K5),
concentrated sunlight ("Solar generation of fullerenes", LPFChibante, et. al. J.Phys. Chem. 1993, Vol. 97, N 34, p. 8696-8700).
Общим для всех этих методов является наличие атмосферы инертного газа. Common to all these methods is the presence of an inert gas atmosphere.
Кроме того, известен способ, основанный на испарении графита электронным пучком в вакууме ("Electronic sputtering of fullerenes and the influence of primary ion charge state", G.Brincmalm, et. al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1994, Vol. 84, N 1, p.37-42; "Fullerene formation in sputtering and electron beam evaporation processes", R.F.Bunshah, et. al. J.Phys. Chem. 1992, Vol. 96, N 17, p.6866-6869). In addition, a method is known based on the evaporation of graphite by an electron beam in vacuum ("Electronic sputtering of fullerenes and the influence of primary ion charge state", G. Brincmalm, et. Al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1994 , Vol. 84,
Получаемая сажа во всех перечисленных способах либо соскребается со стенок испарительной камеры, а фуллерены экстрагируются из нее органическими растворителями ("Supercritical fluid extraction of fullerenes C and C from carbon soot", S. Saim, et. al. Sep.Sci.Technol. 1993, Vol.28, N 8, p.1509-1525) и разделяются хроматографическими ("Purification of gram quantities of C A new inexpensive and facile method", W.A.Scrivens, et. al. J.Amer. Chem. Soc. 1992, Vol. 114, V 20, p. 7914-7919) или иными методами ("Separation of C60 and C70 with activated carbon", T.Rong, et. al. Yingyong Huaxue, 1994, Vol. 11, N 3, p.112-114; "High-purity vapor phase purification of C ", R.D. Averitt, et. al. Appl. Phys. Letters, 1944, Vol. 65, N 3, p.374-376). Либо сажа переносится из испарительной камеры дугового реактора потоком инертного газа в камеру с механическими фильтрами, отделяющими фуллерены от сажи, а затем происходит разделение фуллеренов на температурном градиенте в потоке газа ("Production, characterization, and deposition of carbon clusters", Y. K. Bae, et. al. Clasters claster-assem. mater. 1991, p.733-741 (Mater.res. soc.symp.proc. Vol. 206). The soot obtained in all of the above methods is either scraped off from the walls of the evaporation chamber, and the fullerenes are extracted from it with organic solvents (Supercritical fluid extraction of fullerenes C and C from carbon soot, S. Saim, et. Al. Sep.Sci.Technol. 1993 Vol. 28, No. 8, p. 1509-1525) and are separated by chromatographic ("Purification of gram quantities of CA new inexpensive and facile method", WAScrivens, et. Al. J. Amer. Chem. Soc. 1992, Vol. 114,
Наиболее близким к предложенному способу и устройству являются способ и устройство для производства фуллеренов, описанные в заявке WO 94/004461, кл. С 01 В 31/00, 1994. Closest to the proposed method and device are the method and device for the production of fullerenes described in the application WO 94/004461, cl. C 01 B 31/00, 1994.
Все указанные выше технологии позволяют получать лишь малые количества фуллеренов, которые могут быть использованы только в экспериментальных целях. Получение фуллеренов в значительных количествах, удовлетворяющих потребности промышленности, указанными способами невозможно. All the above technologies allow to obtain only small amounts of fullerenes, which can be used only for experimental purposes. Obtaining fullerenes in significant quantities that satisfy the needs of industry, these methods are impossible.
Технической задачей изобретения является обеспечение возможности получения фуллеренов в количествах, удовлетворяющих потребности промышленности, путем повышения производительности синтеза фуллеренов, а также уменьшение отходов при производстве фуллеренов. Технической задачей изобретения является также обеспечение очистки и разделения фуллеренов в процессе их синтеза. An object of the invention is to provide the possibility of producing fullerenes in quantities that satisfy the needs of industry, by increasing the productivity of the synthesis of fullerenes, as well as reducing waste in the production of fullerenes. An object of the invention is also the provision of purification and separation of fullerenes in the process of their synthesis.
В основе изобретения лежит наблюдение, что непосредственно из алмаза фуллерены не образуются ни при каких условиях, и наоборот, чем больше в исходном веществе содержится кристаллических фрагментов "графитового" типа, то есть плоских гексагонов С6, тем выше выход фуллеренов. Следовательно, первичным строительным материалом для фуллеренов являются не одиночные атомы или малоатомные кластеры с числом атомов менее шести, а плоские фрагменты кристаллической структуры графита. Такие фрагменты образуются при значительно меньших энергетических воздействиях на вещество, чем это требуется для атомизации. С этой точки зрения известные способы синтеза фуллеренов принципиально малоэффективны, так как в них значительная часть приложенной извне или образующейся в ходе реакции тепловой энергии расходуется именно на атомизацию углерода.The invention is based on the observation that fullerenes do not form directly from diamond under any conditions, and vice versa, the more crystalline fragments of the “graphite” type, that is, flat C 6 hexagons, are contained in the starting material, the higher the yield of fullerenes. Consequently, the primary building material for fullerenes are not single atoms or low-atomic clusters with less than six atoms, but flat fragments of the crystalline structure of graphite. Such fragments are formed with significantly lower energy impacts on the substance than is required for atomization. From this point of view, the known methods for the synthesis of fullerenes are fundamentally ineffective, since in them a significant part of the thermal energy applied from outside or generated during the reaction is spent specifically on carbon atomization.
В то же время, как показали эксперименты на время-пролетном масс-спектрометре, время жизни крупных углеродных кластеров с числом атомов n > 18 составляет менее 10 мс (в вакууме). Следовательно, плотность кластеров должна быть достаточно мала, чтобы они успели за время менее 10 мс провзаимодействовать и образовать стабильную замкнутую структуру фуллерена. At the same time, as shown by experiments on a time-of-flight mass spectrometer, the lifetime of large carbon clusters with the number of atoms n> 18 is less than 10 ms (in vacuum). Consequently, the cluster density should be low enough so that they can interact in a time less than 10 ms and form a stable closed fullerene structure.
Необходимые условия синтеза достигаются в вакууме, если организованы встречные потоки низкоэнергетических кластеров, эммитируемых с поверхности нагретого графитсодержащего твердого тела. The necessary synthesis conditions are achieved in vacuum if counter flows of low-energy clusters are emitted from the surface of a heated graphite-containing solid.
Таким образом, поставленная задача решается тем, что в способе производства фуллеренов, включающем образование углеродных кластеров с плоской гексагональной структурой путем нагревания твердой углеродсодержащей заготовки до температуры эммитирующей поверхности 4300±100oС, близкой к температуре плавления графита, и последующий синтез из них молекул фуллеренов, нагревание заготовки и синтез молекул фуллеренов осуществляют в вакууме, при этом синтез производят во встречно-направленных или пересекающихся потоках углеродных кластеров.Thus, the problem is solved in that in the method for the production of fullerenes, which includes the formation of carbon clusters with a flat hexagonal structure by heating a solid carbon-containing preform to an emitting surface temperature of 4300 ± 100 o C, close to the melting point of graphite, and the subsequent synthesis of fullerene molecules from them , heating the preform and the synthesis of fullerene molecules is carried out in vacuum, while the synthesis is carried out in opposing or intersecting flows of carbon clusters.
При этом нагревание твердой углеродсодержащей заготовки производят резистивным, индукционным, магнетронным, лазерным или иным методом. In this case, the heating of the solid carbon-containing preform is carried out by the resistive, induction, magnetron, laser or other method.
Для увеличения выхода фуллеренов заготовку приводят в колебания со звуковой или сверхзвуковой частотой, при этом оптимальный диапазон частот при нагреве составляет от 8 до 40 кГц. По-видимому, это явление обусловлено образованием стоячих волн в атмосфере паров углерода, что улучшает условия взаимодействия кластеров друг с другом. To increase the yield of fullerenes, the workpiece is brought into oscillation with a sound or supersonic frequency, while the optimal frequency range during heating is from 8 to 40 kHz. Apparently, this phenomenon is due to the formation of standing waves in the atmosphere of carbon vapor, which improves the conditions for the interaction of clusters with each other.
Поставленная задача решается также тем, что образование встречно-направленных или пересекающихся потоков углеродных кластеров при нагревании заготовки достигается приданием твердой углеродсодержащей заготовке специальной формы. При этом параллельные или находящиеся под небольшими углами поверхности заготовки взаимно нагреваются излучением, и температура их значительно превосходит температуру на внешних поверхностях, а в случае поверхностного нагрева и температуру внутри объема. The problem is also solved by the fact that the formation of counter-directed or intersecting flows of carbon clusters during heating of the workpiece is achieved by giving the solid carbon-containing workpiece a special shape. In this case, the workpieces parallel or at small angles of the surface are mutually heated by radiation, and their temperature significantly exceeds the temperature on the external surfaces, and in the case of surface heating, the temperature inside the volume.
Кроме того, одновременно с синтезом молекул фуллеренов производят отделение их от сажи. In addition, simultaneously with the synthesis of fullerene molecules, they are separated from soot.
В частности, отделение фуллеренов от сажи производят путем испарения фуллеренов из сборников сажи при нагревании их до 700-900oС.In particular, the separation of fullerenes from soot is carried out by evaporation of fullerenes from soot collectors by heating them to 700-900 o C.
Кроме того, после отделения фуллеренов производят сбор сажи, смешивают сажу с порошком графита, прессуют из этой смеси новую заготовку и просушивают ее в вакууме. In addition, after separation of fullerenes, carbon black is collected, soot is mixed with graphite powder, a new preform is pressed from this mixture, and it is dried in vacuum.
В частности, просушивание заготовки осуществляют посредством ее нагрева в вакуумной камере для синтеза фуллеренов. In particular, the preform is dried by heating it in a vacuum chamber for the synthesis of fullerenes.
Помимо отделения фуллеренов от сажи одновременно с синтезом молекул фуллеренов производят их разделение на фракции по молекулярному весу. In addition to separating fullerenes from carbon black, simultaneously with the synthesis of fullerene molecules, they are divided into fractions by molecular weight.
В частности, разделение фуллеренов на фракции производят на коллекторах, нагретых с образованием температурного градиента от 400 до 480oС.In particular, the separation of fullerenes into fractions is carried out on collectors heated to form a temperature gradient from 400 to 480 o C.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для синтеза фуллеренов, включающем эмиттер, выполненный из твердой углеродсодержащей заготовки, помещенной в рабочую камеру, и средство нагрева эмиттера с источником энергопитания, рабочая камера выполнена вакуумной, эмиттер имеет форму, обеспечивающую образование встречно-направленных или пересекающихся потоков углеродных кластеров при его нагревании, при этом устройство дополнительно снабжено средством подачи и перемещения заготовки и блоком контроля и управления нагревом эмиттера. The problem is also solved by the fact that in the device for the synthesis of fullerenes, including an emitter made of a solid carbon-containing preform placed in the working chamber, and the means for heating the emitter with an energy source, the working chamber is made vacuum, the emitter has a shape that provides the formation of opposite intersecting flows of carbon clusters when it is heated, while the device is additionally equipped with a means for feeding and moving the workpiece and a control unit for heating Mitter.
Кроме того, устройство дополнительно снабжено сборником сажи, установленным в рабочей камере. In addition, the device is additionally equipped with a soot collector installed in the working chamber.
Кроме того, устройство дополнительно снабжено коллекторами фуллеренов, выполненными с возможностью разделения фуллеренов на фракции по молекулярному весу. In addition, the device is additionally equipped with collectors of fullerenes, made with the possibility of separating fullerenes into fractions by molecular weight.
В частности, сборник сажи выполнен в виде двух емкостей, выполненных в виде колец из термостойкого металла, установленных концентрично относительно вертикально расположенного эмиттера,и разделенных между собой кварцевым кольцом, обеспечивающим нагрев емкостей до 1200-2000oС, при этом верхнее кольцо сборника закрыто сверху, а нижнее снизу молибденовыми фильтрами с отверстиями.In particular, the soot collector is made in the form of two containers made in the form of rings of heat-resistant metal, mounted concentrically with respect to a vertically arranged emitter, and separated by a quartz ring, providing heating of the containers to 1200-2000 o С, while the upper ring of the collector is closed from above , and the bottom bottom with molybdenum filters with holes.
В частности, коллекторы фуллеренов выполнены в виде двух колец из меди с вертикальными каналами, установленных непосредственно на верхнюю и под нижнюю емкости сборника сажи. In particular, the fullerene collectors are made in the form of two copper rings with vertical channels mounted directly on the upper and under the lower containers of the soot collector.
Для увеличения выхода фуллеренов источник энергопитания выполнен в виде источника переменного тока с частотой от 8 до 40 кГц. To increase the output of fullerenes, the power supply is made in the form of an alternating current source with a frequency of 8 to 40 kHz.
На фиг. 1 изображена схема процесса производства фуллеренов; на фиг. 2 - схема молекулярных потоков при образовании фуллеренов в вакууме; на фиг. 3 - возможные варианты углеродных эмиттеров и способы их возбуждения: а) резистивный и b) индукционный нагрев; на фиг. 4 зависимость выхода фуллеренов от частоты переменного тока при а) резистивном и b) индукционном нагреве; на фиг. 5 изображено устройство для синтеза, отделения от сажи и разделения фуллеренов. In FIG. 1 shows a diagram of a process for the production of fullerenes; in FIG. 2 is a diagram of molecular flows in the formation of fullerenes in vacuum; in FIG. 3 - possible options for carbon emitters and methods for their excitation: a) resistive and b) induction heating; in FIG. 4 the dependence of the output of fullerenes on the frequency of the alternating current with a) resistive and b) induction heating; in FIG. 5 shows a device for synthesis, separation from soot and separation of fullerenes.
Схема процесса производства фуллеренов изображена на фиг.1. A diagram of the production process of fullerenes is shown in figure 1.
Подготовка смеси включает гомогенизацию в миксере смеси из графитового порошка, сажи и остатков предыдущей заготовки. Mixture preparation includes homogenization in a mixer of a mixture of graphite powder, soot and the remains of the previous workpiece.
Прессование заготовок в виде шайб осуществляется на прессе. Pressing blanks in the form of washers is carried out on the press.
Сушка заготовок производится сначала в электропечи на воздухе при температуре 400oС, а затем непосредственно в рабочей камере установки при температуре 1000oС с откачкой выделяющихся газов вакуумным насосом.The preforms are dried first in an electric furnace in air at a temperature of 400 o С, and then directly in the working chamber of the installation at a temperature of 1000 o С with evacuation of evolved gases by a vacuum pump.
Синтез фуллеренов в вакууме происходит между параллельными или находящимися под углом поверхностями нагреваемых заготовок. Эффективное эммитирование метастабильных кластеров Сn, где n 2-18, начинается при Ткрит 4300±100oС, что близко к температуре плавления графита. Эммитирующие поверхности взаимно нагреваются излучением (фиг. 2) до температур Т2, Т3 > Ткрит 4300oС. Температура на них превосходит температуру как на наружных поверхностях заготовки (Т ), которые теряют тепло за счет излучения, так и внутри объема заготовки (Т ), куда не проникает нагревающая энергия. Во избежание полного разрушения эмиттера процесс синтеза фуллеренов должен проводиться достаточно быстро, чтобы средняя температура эмиттера не успела за счет теплопроводности сравняться с температурами на эммитирующих поверхностях. Это требование достигается при условиях достаточно развитой поверхности эмиттера и достаточно большой мощности источника энергопитания. В результате происходит оплавление только эммитирующих поверхностей и превращение их в фуллерены, а менее нагретые части эмиттера сохраняются в твердом виде и могут быть использованы в качестве сырья для повторного синтеза. Конкретные значения подводимой мощности и времени синтеза определяются формой эмиттера и способом подвода энергии и могут варьироваться в пределах от 100 кВт и выше и от 10 до 60 с. При этом 10-70 массы эмиттера может превратиться в фуллеренсодержащую сажу с содержанием полезного продукта 5-20% и выше.The synthesis of fullerenes in vacuum occurs between parallel or angled surfaces of heated preforms. Effective emitting of metastable clusters С n , where n 2-18, begins at Т crit 4300 ± 100 o С, which is close to the melting point of graphite. The emitting surfaces mutually heat radiation (Fig. 2) to temperatures T 2 , T 3 > T crit 4300 o C. The temperature on them exceeds the temperature both on the outer surfaces of the workpiece (T), which lose heat due to radiation, and inside the volume of the workpiece (T), where the heating energy does not penetrate. In order to avoid complete destruction of the emitter, the process of synthesis of fullerenes should be carried out quickly enough so that the average temperature of the emitter does not have time to equalize due to thermal conductivity with the temperatures on the emitting surfaces. This requirement is achieved under conditions of a sufficiently developed emitter surface and a sufficiently large power source. As a result, only emitting surfaces are melted and converted into fullerenes, and the less heated parts of the emitter are stored in solid form and can be used as raw materials for re-synthesis. The specific values of the input power and the synthesis time are determined by the shape of the emitter and the method of supplying energy and can vary from 100 kW and above and from 10 to 60 s. In this case, 10-70 masses of the emitter can turn into fullerene-containing soot with a useful product content of 5-20% and higher.
Пример 1. Заготовка из реакторного графита массой 127,3 г, форма которой приведена на фиг.3б диаметром 60 мм, высотой 30 мм была помещена в водоохлаждаемый индуктор в вакуумной камере. В камере был достигнут вакуум 10-5 мм рт. ст. после чего на индуктор было подано напряжение 700 В при токе 300 А с частотой 10 кГц. Через 10 с температура на наружной поверхности заготовки достигла 4000oС, а на внутренних поверхностях кольцевых канавок 4350oС. Через 10 с источник питания был отключен и камера охлаждена, а затем развакуумирована и открыта. Масса остатка заготовки составила 64,7 г, а со стенок камеры было собрано механическим скребком 54,4 г порошка темно-коричневого цвета следующего состава, г: твердые не растворимые в толуоле примеси 43,2; С60 10,8; С70 0,13; сумма высших фуллеренов 0,27.Example 1. A blank of reactor graphite weighing 127.3 g, the shape of which is shown in FIG. 3b with a diameter of 60 mm, a height of 30 mm, was placed in a water-cooled inductor in a vacuum chamber. A vacuum of 10 -5 mm RT was reached in the chamber. Art. then a voltage of 700 V was applied to the inductor at a current of 300 A with a frequency of 10 kHz. After 10 seconds, the temperature on the outer surface of the workpiece reached 4000 ° C, and on the inner surfaces of the annular grooves 4350 ° C. After 10 seconds, the power source was turned off and the chamber was cooled, then evacuated and opened. The mass of the billet residue was 64.7 g, and 54.4 g of a dark brown powder of the following composition was collected by mechanical scraper from the chamber walls, g: solid impurities insoluble in toluene 43.2; C 60 10.8; C 70 0.13; the sum of higher fullerenes 0.27.
Пример 2. Заготовка из реакторного графита массой 17,4 г, форма которой приведена на фиг. 3а, диаметром 4 мм, высотой 100 мм после предварительного прогрева при 1000oС была помещена в вакуумную камеру при давлении 10 мм рт. ст. На заготовку через вакуумные контакты было подано напряжение 50 В при токе 400 А с частотой 50 кГц. Через 5 с температура на наружной поверхности заготовки достигла 4000oС, а на внутренних поверхностях кольцевых канавок 4300oС. Через 10 с источник питания был отключен и камера охлаждена, а затем развакуумирована и открыта. Масса остатка заготовки составила 15,3 г, а со стенок камеры и токоподводов было собрано 1,5 г порошка черного цвета следующего состава, г: твердые не растворимые в толуоле примеси 1,3; С60 0,16; С70 0,11; сумма высших фуллеренов 0,02.Example 2. Billet from reactor graphite weighing 17.4 g, the shape of which is shown in FIG. 3a, with a diameter of 4 mm and a height of 100 mm, after preliminary heating at 1000 ° C, it was placed in a vacuum chamber at a pressure of 10 mm Hg. Art. A voltage of 50 V was applied to the workpiece through vacuum contacts at a current of 400 A with a frequency of 50 kHz. After 5 s, the temperature on the outer surface of the workpiece reached 4000 o С, and on the inner surfaces of the annular grooves 4300 o С. After 10 s, the power source was turned off and the chamber was cooled, then evacuated and opened. The mass of the workpiece residue was 15.3 g, and 1.5 g of the black powder of the following composition was collected from the walls of the chamber and current leads, g: solid impurities insoluble in toluene 1.3; C 60 0.16; C 70 0.11; the sum of higher fullerenes 0.02.
На практике синтез может осуществляться в устройстве, изображенном на фиг.5. In practice, the synthesis can be carried out in the device depicted in figure 5.
Основной частью устройства является водоохлаждаемая камера 1 из нержавеющей стали, в центре которой размещается нагревательный элемент 2, например, кольцевой водоохлаждаемый индуктор из меди. По оси нагревательного элемента индуктора перемещается эмиттер 3, представляющий собой стержень, составленный из шайб-заготовок и фиксируемый сверху и снизу держателями 4. Перемещение осуществляется с помощью механизма 5 подачи заготовок. Камера вакуумируется, причем движение заготовок происходит без нарушения вакуума благодаря использованию сильфонов 6. The main part of the device is a water-cooled
При включении нагревательного элемента, например при подключении индуктора к мощному высокочастотному источнику тока, происходит разогрев наружных поверхностей шайб, находящихся внутри нагревательного элемента, например индуктора. Механизм 5 перемещения осуществляет движение заготовок с такой скоростью, чтобы внешние части шайб-заготовок почти полностью испарились, а внутренние не успели при этом расплавиться. В полостях, образованных выступающими краями шайб, происходит интенсивное образование фуллеренов и сажи. When the heating element is turned on, for example, when the inductor is connected to a powerful high-frequency current source, the outer surfaces of the washers inside the heating element, such as the inductor, are heated. The
После испарения 50-70% вещества исходной заготовки источник энергопитания отключается, и камера охлаждается и развакуумируется. Конечным продуктом в этом случае является фуллеренсодержащая сажа, которая удаляется из камеры механическим способом. After evaporation of 50-70% of the material of the initial billet, the power source is turned off, and the chamber is cooled and evacuated. The final product in this case is fullerene-containing soot, which is removed mechanically from the chamber.
При необходимости получения чистой смеси фуллеренов отдельно от сажи в камеру 1 устанавливают верхний 7 и нижний 8 сборники сажи, представляющие собой емкости из термостойкого металла, например вольфрама, в виде колец. В целях снижения потерь электромагнитной энергии сборники не имеют между собой гальванического контакта, однако нагреваются нагревательным элементом 2, например индуктором, через кварцевое кольцо 9. Толщина кольца подбирается таким образом, чтобы в процессе синтеза сборники нагревались до 1200-2000oС. Верхний сборник 7 закрыт сверху, а нижний 8 снизу молибденовыми фильтрами 10 с отверстиями 10-100 мкм.If it is necessary to obtain a pure mixture of fullerenes separately from the soot, the upper 7 and lower 8 soot collectors are installed in the
При синтезе около 90% сажи скапливается в нижнем сборнике, остальная в верхнем. При указанной температуре происходит сублимация фуллерена и его диффузия сквозь сажу к менее нагретым частям камеры. Таким образом, происходит накопление сажи в сборниках, тогда как фуллерены конденсируются на стенках камеры, откуда они могут быть удалены механическим способом. Конечным продуктом здесь является смесь фуллеренов С60, С70 и высших, а также сажа, пригодная для дальнейшего использования, в том числе для следующего цикла синтеза.During synthesis, about 90% of soot accumulates in the lower collection, the rest in the upper. At the indicated temperature, the fullerene sublimates and diffuses through the soot to less heated parts of the chamber. Thus, soot accumulates in the collectors, while fullerenes condense on the walls of the chamber, from where they can be removed mechanically. The final product here is a mixture of fullerenes C 60 , C 70 and higher, as well as carbon black, suitable for further use, including for the next synthesis cycle.
При необходимости может быть произведено разделение фуллеренов на фракции по молекулярным весам. Для этого в камеру 1 на сборники сажи 7 и 8 устанавливаются верхние 11, 12, 13 и нижние 14, 15, 16 коллекторы фуллеренов, представляющие собой кольца из меди с вертикальными каналами. Коллекторы нагреваются за счет теплопроводности от сборников сажи, и вдоль их каналов образуется градиент от 480 от 400oС.If necessary, the separation of fullerenes into fractions by molecular weights can be performed. For this purpose, upper 11, 12, 13 and lower 14, 15, 16 fullerene collectors, which are copper rings with vertical channels, are installed in
В процессе синтеза пары фуллеренов из сборников сажи проходят через каналы коллекторов фуллеренов и конденсируются в них в соответствии с их температурами сублимации, которые зависят от молекулярного веса. На ближних коллекторах 13 и 14 конденсируется смесь высших фуллеренов С76, С82 и других на коллекторах 12 и 15 С70, на коллекторах 11 и 16 С60. Конечными продуктами здесь являются сажа, которую можно использовать при последующем синтезе, и указанные фракции фуллеренов.In the process of synthesis, pairs of fullerenes from soot collectors pass through the channels of the fullerene collectors and condense in them in accordance with their sublimation temperatures, which depend on molecular weight. A mixture of higher fullerenes C 76 , C 82, and others on
Работа устройства для производства фуллеренов иллюстрируется примерами. The operation of the device for the production of fullerenes is illustrated by examples.
Пример 3. Для синтеза была подготовлена смесь из 40% остатков заготовок от предыдущего синтеза, 40% сажи, полученной при синтезе, и 20% особо чистого графитового порошка. Смесь была гомогенизирована в механическом миксере, и из нее была спрессованы заготовки в виде шайб диаметром 80 мм, высотой 30 мм, массой 130 г каждая. Прессование осуществлялось на механическом прессе с усилием 30 т. Шайбы был прогреты в электрической печи при 400oС.Example 3. For the synthesis, a mixture was prepared from 40% of the residues of the blanks from the previous synthesis, 40% of the carbon black obtained during the synthesis, and 20% of especially pure graphite powder. The mixture was homogenized in a mechanical mixer, and blanks were pressed from it in the form of washers with a diameter of 80 mm, a height of 30 mm, and a mass of 130 g each. The pressing was carried out on a mechanical press with a force of 30 tons. The washers were heated in an electric furnace at 400 o C.
Из 16 шайб общей массой 2080 г был составлен стержень и помещен в камеру с индуктором диаметром 100 мм. Камера была закрыта и вакуумирована до 10-5 мм рт.ст.A rod was composed of 16 washers with a total mass of 2080 g and placed in a chamber with an inductor with a diameter of 100 mm. The chamber was closed and evacuated to 10 -5 mm Hg.
Через 10 с после подключения источника энергопитания 100 кВт, 10 кГц был приведен в движение механизм 5, который перемещал заготовку снизу вверх через нагревательный элементиндуктор со скоростью 500 мм/мин. После прохождения всей заготовки через нагревательный элемент-индуктор, источник энергопитания был отключен, камера была повторно откачана до 10-5 мм рт.ст. и на нагревательный элемент-индуктор была подана мощность 250 кВт. Через 10 с с помощью механизма перемещения заготовка была вновь проведена через нагревательный элемент-индуктор в направлении сверху вниз с той же скоростью. После прохождения всей заготовки через нагревательный элемент-индуктор источник энергопитания был отключен, камера охлаждена и развакуумирована.10 s after connecting a power source of 100 kW, 10 kHz, a
Из камеры были извлечены остатки заготовки общей массой 810 г и фуллеренсодержащая сажа с мелкими обломками заготовки общей массой 1260 г. Сажа состояла из 79% не растворимых в толуоле твердых компонентов: 20,2% С60, 0,4% С70 и 0,5% смеси высших фуллеренов.The remains of the preform with a total weight of 810 g and fullerene-containing soot with small fragments of the preform with a total weight of 1260 were extracted from the chamber. The soot consisted of 79% of solid components insoluble in toluene: 20.2% C 60 , 0.4% C 70 and 0, 5% mixture of higher fullerenes.
Пример 4. Использовались те же заготовки, что и в примере 3, однако в камеру 1 были установлены сборники сажи 7 и 8. Синтез проводился в том же режиме, что и в примере 3. Example 4. The same blanks were used as in example 3, however,
После открытия камеры было извлечено 805 г остатков заготовки, из сборников сажи 980 г сажи, не содержащей фуллеренов, а со стенок камеры и внутренних деталей 290 г черно-коричневого порошка следующего состава: 9,2% не растворимых в толуоле твердых компонентов, 86,4% С60, 1,8% С70 и 2,6% смеси высших фуллеренов.After the chamber was opened, 805 g of the remainder of the billet were recovered, 980 g of soot containing no fullerenes from soot collectors, and 290 g of black-brown powder of the following composition were removed from the walls of the chamber and internal parts: 9.2% of solid components insoluble in toluene, 86, 4% C 60 , 1.8% C 70 and 2.6% of a mixture of higher fullerenes.
Пример 5. Использовались те же заготовки, что и в примере 3, однако в камеру 1 были установлены как сборники сажи 7 и 8, так и коллекторы фуллеренов 11-16. Синтез проводился в том же режиме, что и в примере 3. Example 5. The same blanks were used as in example 3, however both
После открытия камеры было извлечено 807 г остатков заготовки, из сборников сажи 978 г сажи, не содержащей фуллеренов, с коллекторов фуллеренов собраны препараты, масса и состав которых приведены в таблице. Кроме того, с внутренних деталей и стенок камеры было собрано 10,6 г смеси из 50% фуллеренов, 45% сажи и 5% обломков. After the chamber was opened, 807 g of the remainder of the billet were recovered; 978 g of carbon black containing no fullerenes were collected from soot collectors; preparations were collected from the fullerene collectors, the mass and composition of which are given in the table. In addition, 10.6 g of a mixture of 50% fullerenes, 45% carbon black, and 5% debris were collected from the internal parts and walls of the chamber.
Фуллерены, существование которых было установлено в середине 80-х годов, а эффективная технология получения разработана в 1990 г, имеют большое прикладное значение. Fullerenes, whose existence was established in the mid-80s, and an efficient production technology was developed in 1990, are of great applied value.
Интерес к исследованиям фуллеренов связан, с одной стороны, широким разнообразием новых физико-химических явлений, которые происходят при участии фуллеренов, а с другой стороны многообразными перспективами прикладного использования этого нового класса веществ. Interest in the study of fullerenes is associated, on the one hand, with a wide variety of new physicochemical phenomena that occur with the participation of fullerenes, and on the other hand with the diverse prospects for the application of this new class of substances.
Результаты исследований, выполненных в последние годы, указывают на значительные перспективы использования фуллеренов и материалов на их основе в различных областях науки и технологии. Так, использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 10 раз) снижает коэффициент трения металлических поверхностей и соответственно повышает износостойкость деталей и агрегатов. Фуллерены могут использоваться также в качестве основы для производства аккумуляторных батарей, обладающих более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с современными аккумуляторами. The results of studies carried out in recent years indicate significant prospects for the use of fullerenes and materials based on them in various fields of science and technology. So, the use of fullerenes as an additive to lubricating oil significantly (up to 10 times) reduces the coefficient of friction of metal surfaces and, accordingly, increases the wear resistance of parts and assemblies. Fullerenes can also be used as the basis for the production of batteries with higher efficiency, low weight, as well as environmental and sanitary safety compared to modern batteries.
Активно разрабатываются также другие возможности коммерческих применений фуллеренов, связанные, в частности, с разработкой новых композиционных материалов, созданием красителей для копировальных аппаратов, фотоприемников, элементов памяти и оптоэлектронных устройств, алмазных и алмазоподобных пленок, лекарственных препаратов, сверхпроводящих материалов и др. Особого внимание заслуживает проблема использования фуллеренов в медицине и фармакологии, особенно идея создания противораковых препаратов на основе водорастворимых соединений фуллеренов. Other possibilities of commercial applications of fullerenes are also being actively developed, in particular, with the development of new composite materials, the creation of dyes for copiers, photodetectors, memory elements and optoelectronic devices, diamond and diamond-like films, drugs, superconducting materials, etc. Deserves special attention. the problem of using fullerenes in medicine and pharmacology, especially the idea of creating anti-cancer drugs based on water-soluble compounds ny fullerenes.
В настоящее время широкое внедрение технологий, использующих фуллеренсодержащие материалы, затруднено в связи с относительно высокой стоимостью этих материалов. Currently, the widespread adoption of technologies using fullerene-containing materials is difficult due to the relatively high cost of these materials.
Предлагаемый способ производства фуллеренов не имеет принципиальных ограничений по производительности и обеспечивает безотходный и экологически чистый процесс синтеза фуллеренов. The proposed method for the production of fullerenes does not have fundamental performance limitations and provides a waste-free and environmentally friendly process for the synthesis of fullerenes.
Claims (16)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU1996/000317 WO1998021146A1 (en) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | Method and device for producing fullerenes |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2085484C1 true RU2085484C1 (en) | 1997-07-27 |
RU96122306A RU96122306A (en) | 1997-10-20 |
Family
ID=20130054
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96122306/25A RU2085484C1 (en) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | Method and apparatus for production of fullerenes |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU1739297A (en) |
RU (1) | RU2085484C1 (en) |
WO (1) | WO1998021146A1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6878361B2 (en) | 2001-07-10 | 2005-04-12 | Battelle Memorial Institute | Production of stable aqueous dispersions of carbon nanotubes |
US6896864B2 (en) | 2001-07-10 | 2005-05-24 | Battelle Memorial Institute | Spatial localization of dispersed single walled carbon nanotubes into useful structures |
RU2343111C1 (en) * | 2007-04-06 | 2009-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "НеоТекПродакт" | Plant for fullerene soot production |
US7842271B2 (en) | 2004-12-07 | 2010-11-30 | Petrik Viktor I | Mass production of carbon nanostructures |
RU2705064C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-11-01 | Общество с ограниченной ответственностью "ПКФ Альянс" | Device for producing fullerene-containing soot |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1587000A1 (en) * | 1988-05-23 | 1990-08-23 | Предприятие П/Я Р-6561 | Method of producing clusters of polyhedral hydrocarbons |
US5300203A (en) * | 1991-11-27 | 1994-04-05 | William Marsh Rice University | Process for making fullerenes by the laser evaporation of carbon |
DE4224556A1 (en) * | 1992-07-24 | 1994-01-27 | Max Planck Gesellschaft | Process for the production and separation of fullerenes |
US5876684A (en) * | 1992-08-14 | 1999-03-02 | Materials And Electrochemical Research (Mer) Corporation | Methods and apparati for producing fullerenes |
DE4333683A1 (en) * | 1993-10-02 | 1995-04-06 | Till Keesmann | Process and device for producing fullerenes |
US5510098A (en) * | 1994-01-03 | 1996-04-23 | University Of Central Florida | CVD method of producing and doping fullerenes |
JP2644677B2 (en) * | 1994-02-28 | 1997-08-25 | 名古屋大学長 | Method and apparatus for producing fullerenes |
JP3517276B2 (en) * | 1994-05-19 | 2004-04-12 | 東洋炭素株式会社 | Method for producing fullerenes |
JPH0848510A (en) * | 1994-08-04 | 1996-02-20 | Satoru Mieno | Automatic fullerene synthesizer by arc discharge |
-
1996
- 1996-11-13 WO PCT/RU1996/000317 patent/WO1998021146A1/en active Application Filing
- 1996-11-13 AU AU17392/97A patent/AU1739297A/en not_active Abandoned
- 1996-11-13 RU RU96122306/25A patent/RU2085484C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
WO, заявка, 94/04461, кл. C 01 B 31/00, 1994. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6878361B2 (en) | 2001-07-10 | 2005-04-12 | Battelle Memorial Institute | Production of stable aqueous dispersions of carbon nanotubes |
US6896864B2 (en) | 2001-07-10 | 2005-05-24 | Battelle Memorial Institute | Spatial localization of dispersed single walled carbon nanotubes into useful structures |
US7731929B2 (en) | 2001-07-10 | 2010-06-08 | Battelle Memorial Institute | Spatial localization of dispersed single walled carbon nanotubes into useful structures |
US7968073B2 (en) | 2001-07-10 | 2011-06-28 | Battelle Memorial Institute | Stable aqueous dispersions of carbon nanotubes |
US7842271B2 (en) | 2004-12-07 | 2010-11-30 | Petrik Viktor I | Mass production of carbon nanostructures |
RU2343111C1 (en) * | 2007-04-06 | 2009-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "НеоТекПродакт" | Plant for fullerene soot production |
RU2705064C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-11-01 | Общество с ограниченной ответственностью "ПКФ Альянс" | Device for producing fullerene-containing soot |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1998021146A1 (en) | 1998-05-22 |
AU1739297A (en) | 1998-06-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5876684A (en) | Methods and apparati for producing fullerenes | |
RU2425795C2 (en) | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas | |
Yoshie et al. | Novel method for C60 synthesis: A thermal plasma at atmospheric pressure | |
JP7290242B2 (en) | Manufacturing equipment for carbon materials | |
KR20010013476A (en) | Method and device for producing fullerenes | |
CN1203948C (en) | Equipment for preparing nano metal powder | |
JP2012046393A (en) | Powder for nanocarbon production and method for forming metal-including fullerene | |
Boulos | New frontiers in thermal plasmas from space to nanomaterials | |
Omurzak et al. | Synthesis method of nanomaterials by pulsed plasma in liquid | |
RU2085484C1 (en) | Method and apparatus for production of fullerenes | |
Kharlamov et al. | New low-temperature method for joint synthesis of C 60 fullerene and new carbon molecules in the form of C 3-C 15 and quasi-fullerenes C 48, C 42, C 40 | |
RU2086503C1 (en) | Method of industrial production of fullerenes | |
Munz et al. | Application of transferred arcs to the production of nanoparticles | |
RU2414418C2 (en) | Method of producing hydrogen and carbon nanofibres from hydrocarbon gas | |
Fulcheri et al. | The influence of the carbon precursor, carbon feed rate and helium gas flow rate on the synthesis of fullerenes from carbon powder in an entrained flow 3-phase AC plasma reactor operating at atmospheric pressure | |
JPH05124807A (en) | Production of fluorenes | |
Seo et al. | Direct synthesis of nano-sized glass powders with spherical shape by RF (radio frequency) thermal plasma | |
KR101537216B1 (en) | A making process of silicon powder Using Plasma Arc Discharge | |
RU2489350C2 (en) | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation | |
RU2109682C1 (en) | Method for commercial-scale production of fullerens by pyrolysis | |
JPH05238719A (en) | Production of fullerene and heterofullerene | |
Subbotin et al. | Fullerenes production by electric arc pyrolysis of methane in an AC three-phase plasma torch | |
RU96122306A (en) | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION OF FULLERENES | |
RU2556926C1 (en) | Method of continuous production of graphenes | |
Bica | Plasma device for magnetic nanoparticles production |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051114 |