RU2169699C2 - Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур - Google Patents
Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2169699C2 RU2169699C2 RU99110719A RU99110719A RU2169699C2 RU 2169699 C2 RU2169699 C2 RU 2169699C2 RU 99110719 A RU99110719 A RU 99110719A RU 99110719 A RU99110719 A RU 99110719A RU 2169699 C2 RU2169699 C2 RU 2169699C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- carbon
- reaction mixture
- oxidizing agent
- nanostructures
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение предназначено для коллоидной, координационной и физической химии и может быть использовано в различных отраслях промышленности. В трехгорлую колбу с мешалкой и омедненной никель-хромовой проволокой помещают реакционную смесь - ароматический многоядерный углеводород с конденсированными шестичленными кольцами, например антрацен или фенантрен; окислитель, способствующий дегидрополиконденсации, например Cu/Cl, (Р4O10)n или AlCl3; ультрадисперсный порошок металла, например меди. Мольное соотношение углеводород : окислитель : металл = 1 : (5-10) : (0,16-10). Производят импульсный нагрев проволоки при подаче напряжения 7,5 В при силе тока 1,25 А. Реакционную смесь нагревают до 300°С, контролируя температуру термопарой. Синтез проводят 10 ч, после чего проводят промывку продукта НСl и органическими растворителями. Выход углеродметаллсодержащих наноструктур 50-90%. Производительность процесса увеличивается более чем в 10 раз. 5 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области координационной химии, включающей физикохимию наноструктур и коллоидных систем.
Карбонизация с образованием углеродметаллсодержащих наноструктур проводится с помощью термохимических методов.
Известен метод получения углеродметаллсодержащих наноструктур, заполненных металлами, оксидами металлов или карбидами металлов, использующий термическое распыление графитового анода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. В некоторых случаях углеродметаллсодержащие наноструктуры производят в гелиевой дуге, прерывисто заполненной чистым металлом. Однако при таком методе получения общий выход заполненных наноструктур очень низкий [1].
Наиболее близким техническим решением является электродуговой способ получения углеродметаллсодержащих нанотрубок, заполненных медью или германием, заключающийся в подаче постоянного тока на графитовые электроды диаметром 12,5 мм при напряжении 20 В, силе тока 100 А, межэлектродном расстоянии от 0,25 до 2 миллиметров, давлении чистого гелия или водорода 500 Торр и температуре 1500-2000oC. При этом происходит интенсивное термическое распыление материала анода. В качестве исходного углеродного материала для синтеза нанотрубок используется полициклическое ароматическое углеводородное вещество-пирен (C16H10), которое помещается в отверстие анода. При интенсивном термическом распылении материала анода происходит осаждение продуктов распыления на охлаждаемых стенках разрядной камеры, а также на поверхности катода, более холодного по сравнению с анодом [2].
Однако известный способ имеет следующие недостатки: получаемые электродуговым способом наноструктуры имеют высокую стоимость ввиду высокой энергоемкости и низкой производительности данного метода и, кроме того, образуются в микроскопических количествах.
Целью предложенного способа является повышение производительности синтеза углеродметаллсодержащих наноструктур при одновременном увеличении их выхода и возможность получения до 50- 90% в расчете на взятый углеводород однотипных углеродных веществ при относительно низких энергетических затратах.
Поставленная цель достигается тем, что углеродметаллсодержащие наноструктуры получаются путем нагрева ароматических углеводородов, содержащих конденсированные шестичленные кольца. Нагрев проводят при температурах до 300oC в присутствии окислителей, способствующих дегидрополиконденсации и ультрадисперсных металлов при мольном соотношении ароматического углеводорода, окислителя и металла 1:(5-10):(0,16-10).
Окислители, способствующие дегидрополиконденсации, берутся из расчета 1 моль ароматического соединения на 5-10 молей соли металла, полифосфорной кислоты или других подобных по действию веществ.
nC14H10--->5nCuCl2•5nH2+(-C-)14n
В ходе реакции происходит дегидрирование углеводородов (фиг. 1а) с последующей конденсацией ароматических колец, в результате чего образуются углеродные наноструктуры с включенными атомами металлов (фиг. 16). Преимущество указанного способа состоит в низкой температуре синтеза, что приводит к снижению энергетических затрат, увеличению выхода до 50-90% однотипных углеродных веществ. Исследование полученных веществ производилось спектроскопическими методами, такими как: РФЭ-, ИК- и УФ-спектроскопией, а также электронной микроскопией.
В ходе реакции происходит дегидрирование углеводородов (фиг. 1а) с последующей конденсацией ароматических колец, в результате чего образуются углеродные наноструктуры с включенными атомами металлов (фиг. 16). Преимущество указанного способа состоит в низкой температуре синтеза, что приводит к снижению энергетических затрат, увеличению выхода до 50-90% однотипных углеродных веществ. Исследование полученных веществ производилось спектроскопическими методами, такими как: РФЭ-, ИК- и УФ-спектроскопией, а также электронной микроскопией.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена схема начального периода дегидрополиконденсации (стадия а) и образования углеродных наноструктур цилиндрической формы (стадия б), на фиг. 2 представлены РФЭ-спектры (C1s, O1s) углеродметаллсодержащих наноструктур, полученных из смеси фенантрена, порошков однохлористой меди и ультрадисперсной меди, на фиг. 3 представлены РФЭ-спектры (C1s, O1s, P2p) углеродметаллсодержащих наноструктур, полученных из смеси фенантрена и полифосфорной кислоты с добавлением порошка ультрадисперсной меди. На фиг. 4 представлены РФЭ-спектры (C1s, O1s и Co2p3) углеродметаллсодержащих наноструктур, полученных из смеси фенантрена и хлоридов алюминия и кобальта.
По данным электронной микроскопии полученные углеродметаллсодержащие наноструктуры представляют собой протяженные образования цилиндрической формы (от 1 до 30 мкм), состоящие из наноструктур (до 20 нм) такой же формы. Согласно УФ-спектрам основное поглощение наблюдается в области 380 нм, что характерно для конденсированных ароматических колец и углеродных продуктов.
Согласно обзорным РФЭ спектрам сравнительно интенсивные пики отмечены для углерода и кислорода (фиг. 2, 4) и для углерода, кислорода и фосфора (фиг. 3). Независимо от применяемой среды в РФЭ спектрах полученных продуктов имеются пики малой интенсивности, характерные для связей углерод-металл.
Пример 1. Предлагаемый способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур реализован следующим образом: синтез ведут в трехгорлой колбе, объемом 100 мл, снабженной мешалкой, термометром и омедненной никель-хромовой проволокой, намотанной на керамический сердечник. Реакционная смесь, состоящая из ароматического многоядерного углеводорода фенантрена, окислителя, способствующего дегидрополиконденсации-однохлористой меди и ультрадисперсного порошка меди, готовится в соотношении 1:5:0,16 моль. Нагрев смеси ароматических углеводородов и соответствующих веществ ведется в песочной бане при температуре 250-280oC. Одновременно производится импульсный нагрев омедненной проволоки до 300oC при подаче на нее напряжения 7,5 В и силе тока 1,25 А, создаваемой блоком питания постоянного тока ТЕС 15, напряжение измеряется с помощью универсального вольтметра В7-16А. Калибровочная кривая зависимости температуры от напряжения выстраивается при использовании термопары. Синтез ведется при энергичном перемешивании реакционной смеси в течение 10 часов. Процесс заканчивают при достижении реакционной массой устойчивого окрашивания. Затем горячую реакционную массу промывают соляной или азотной кислотой, водой до уменьшения pH и обрабатывали органическими растворителями, включая спирт, ацетон, бензол. Оставшаяся черная масса не изменяется при воздействии на нее различных реагентов, при воздействии высоких температур накаливается. Полученный продукт диспергируют в спирте или ацетоне с помощью ультразвукового поля, создаваемого пьезоэлементом ЦТС-19, размерами 0,67х8х20 мм3 при подаче на него электрического напряжения частотой 80 кГц и амплитудой 20В. После осаждения частиц в поле микроскопа наблюдаются шаровидные или цилиндроподобные углеродные образования. Для описания полученных углеродных продуктов применяют методы РФЭ-, ИК-, и УФ-спектроскопии, а также электронной микроскопии. Выход углеродметаллсодержащих наноструктур-50%.
Пример 2. В качестве исходного многоядерного ароматического углеводорода используется фенантрен, а в качестве окислителя, способствующего дегидрополиконденсации - однохлористая медь в сочетании с ультрадисперсным порошком меди в соотношении 1: 6:6 моль. Нагрев и обработку смеси ведут аналогично примеру 1. Выход 51%.
Пример 3. В качестве исходного многоядерного ароматического углеводорода используется смесь фенантрена и антрацена, а в качестве окислителя, способствующего дегидрополиконденсации - однохлористая медь в сочетании с ультрадисперсным порошком меди в соотношении 1:10:10 моль. Нагрев и обработку смеси ведут аналогично примеру 1. Выход 60%.
Пример 4/ В качестве исходного многоядерного углеводорода используется фенантрен, а в качестве окислителя, способствующего дегидрополиконденсации, - полимерный оксид фосфора, точнее (P4O10)n в сочетании с ультрадисперсным порошком меди в соотношении 1:6:6 моль. Нагрев и обработку смеси ведут аналогично примеру 1. Выход 90%.
Согласно данным РФЭ-спектроскопии (см. таблицу) в продуктах реакции (пример 2) установлено содержание окисленных групп, имеющих карбонильные и карбонатные группы (фиг. 2) а также (пример 4) максимумы, ответственные за PO4 и PO3(PO2) группировки (фиг. 3), что объясняется частичным окислением углеродметаллсодержащих наноструктур при обработке реакционной массы азотной кислотой.
Пример 5. В качестве исходного многоядерного ароматического углеводорода используется фенантрен, а в качестве окислителя, способствующего дегидрополиконденсации, - смесь хлоридов кобальта и алюминия без добавления порошка ультрадисперсного металла в соотношении 1:10:0. Нагрев и обработку смеси ведут аналогично примеру 1. Выход - 90%.
РФЭ-исследование полученных продуктов показало, что уменьшение содержания в смеси окислителей, способствующих дегидрополиконденсации, и порошков ультрадисперсного металла ниже минимального значения приводит к образованию углеродных наноструктур, не содержащих металл. Увеличение же содержания в смеси окислителей, способствующих дегидрополиконденсации, и порошков металла выше оптимального значения приводит к понижению содержания углерода в продуктах реакции без существенного увеличения содержания металла. При использовании в качестве окислителя, способствующего дегидрополиконденсации, полифосфорной кислоты наблюдается аналогичный выход продуктов реакции.
Таким образом, характеристики углеродметаллсодержащих наностуктур, приведенные в таблице? показывают, что предложенный способ получения способствует увеличению выхода продуктов реакции при оптимальном соотношении реагентов 1:6:6.
Использование предлагаемого способа получения углеродметаллсодержащих наноструктур обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Повышение производительности синтеза углеродных наноструктур путем снижения температуры синтеза до 300oC.
1. Повышение производительности синтеза углеродных наноструктур путем снижения температуры синтеза до 300oC.
2. Увеличение выхода однотипных углеродных наноструктур путем повышения контроля за ходом синтеза и его управляемостью.
3. Возможность получения макроскопических количеств углеродметаллсодержащих наноструктур, обладающих поглощением в УФ-области 300-400 нм, что позволяет рассматривать их в качестве стимуляторов процессов лазерной фотополимеризации.
В данном случае под производительностью понимается количество продуктов на единицу затраченной энергии. Поскольку в данном способе температура на порядок ниже, чем в прототипе, а выход продуктов выше, считаем, что производительность способа увеличена более чем в 10 раз.
Источники информации
1. C.Guerret-Piecourt et al./Nature 372(1994)761
2. J.Y. Dai et al./Chemical Physics Letters 258 (1996) 547-553 (прототип)о
1. C.Guerret-Piecourt et al./Nature 372(1994)761
2. J.Y. Dai et al./Chemical Physics Letters 258 (1996) 547-553 (прототип)о
Claims (1)
- Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур путем нагрева ароматических углеводородов, содержащих конденсированные шестичленные кольца, отличающийся тем, что нагрев проводят при температуре до 300oC в присутствии окислителей, способствующих дегидрополиконденсации, и ультрадисперсных металлов при мольном соотношении ароматического углеводорода, окислителя и металла 1 : (5-10) : (0,16-10).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99110719A RU2169699C2 (ru) | 1999-05-24 | 1999-05-24 | Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99110719A RU2169699C2 (ru) | 1999-05-24 | 1999-05-24 | Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99110719A RU99110719A (ru) | 2001-03-20 |
| RU2169699C2 true RU2169699C2 (ru) | 2001-06-27 |
Family
ID=20220187
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99110719A RU2169699C2 (ru) | 1999-05-24 | 1999-05-24 | Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2169699C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490206C2 (ru) * | 2011-08-30 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ выделения одностенных углеродных нанотруб |
| RU2715655C2 (ru) * | 2018-06-14 | 2020-03-02 | Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" | Способ получения металл/углеродных нанокомпозитов |
-
1999
- 1999-05-24 RU RU99110719A patent/RU2169699C2/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J.Y. DAI et al., Synthesis of Carbon - encapsulated nanowires using polycyclic hydrocarbon precusors, Chem. Phys. Let., 1996, v. 258, p.p.547-553. ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ./Под ред. Кнунянца И.Л. - М.: Советская энциклопедия, т.1, 1973, с.198-200. ПЕТРОВ А.А. Органическая химия. - М.: Высшая школа, 1973, с.491, 507, 512, 517-530. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490206C2 (ru) * | 2011-08-30 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ выделения одностенных углеродных нанотруб |
| RU2715655C2 (ru) * | 2018-06-14 | 2020-03-02 | Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" | Способ получения металл/углеродных нанокомпозитов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kumar et al. | Nanodiamonds: Emerging face of future nanotechnology | |
| Morishita et al. | Fastest formation routes of nanocarbons in solution plasma processes | |
| Li et al. | Bottom‐up fabrication of single‐layered nitrogen‐doped graphene quantum dots through intermolecular carbonization arrayed in a 2D plane | |
| CN101370734B (zh) | 用富勒烯官能化的碳纳米管 | |
| Schwenke et al. | Synthesis and modification of carbon nanomaterials utilizing microwave heating | |
| US5424054A (en) | Carbon fibers and method for their production | |
| Xu et al. | Synthesis of carbon nanocapsules containing Fe, Ni or Co by arc discharge in aqueous solution | |
| Tsuji | Microwave‐assisted synthesis of metallic nanomaterials in liquid phase | |
| Poh et al. | Concurrent phosphorus doping and reduction of graphene oxide | |
| Hsin et al. | Microwave arcing induced formation and growth mechanisms of core/shell metal/carbon nanoparticles in organic solutions | |
| JP2008273807A (ja) | マイクロ波超高吸収発熱素材による温度制御反応場生成法と機能性ナノ粒子及びナノカーボン素材の合成方法 | |
| KR100626016B1 (ko) | 탄소나노케이지 제조 방법 | |
| JP2007254271A (ja) | 炭素材料の製造方法、炭素材料および電子素子の製造方法 | |
| KR100741401B1 (ko) | 마이크로파를 이용한 나노튜브의 분리 및 정제방법 및 그에사용되는 나노튜브의 분리 및 정제장치 | |
| Hu et al. | Morphological study of graphite-encapsulated iron composite nanoparticles fabricated by a one-step arc discharge method | |
| KR100746311B1 (ko) | 액상법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법 | |
| An et al. | Facile preparation of molybdenum disulfide quantum dots using a femtosecond laser | |
| RU2169699C2 (ru) | Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур | |
| Devi et al. | Carbon-based nanomaterials: carbon nanotube, fullerene, and carbon dots | |
| Wang et al. | Synthesis of ultrafine silicon carbide nanoparticles using nonthermal arc plasma at atmospheric pressure | |
| Wang et al. | Carbon nanoflake-nanoparticle interface: A comparative study on structure and photoluminescent properties of carbon nanoflakes synthesized on nanostructured gold and carbon by hot filament CVD | |
| Chen et al. | Efficient and green synthesis of SiOC nanoparticles at near-ambient conditions by liquid-phase plasma | |
| KR20190071293A (ko) | 마이크로웨이브를 이용한 그래핀의 제조방법 | |
| Jayswal et al. | Synthesis of fluorescent carbon nanoparticles by dispersion polymerization of acetylene | |
| KR101500703B1 (ko) | 액상 플라즈마 반응을 이용한 철 나노유체의 제조방법 |