RU2320536C2

RU2320536C2 - Method of synthesis of fullerene mix in plasma at atmospheric pressure

Info

Publication number: RU2320536C2
Application number: RU2005138095/15A
Authority: RU
Inventors: Григорий Николаевич Чурилов (RU); Григорий Николаевич Чурилов
Original assignee: Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН; Григорий Николаевич Чурилов
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2008-03-27
Also published as: RU2005138095A

Abstract

FIELD: carbon materials.

SUBSTANCE: synthesis is accomplished in plasma at atmospheric pressure in helium flow. Electrodes are powered in combination with direct current up to 1000 A and alternate current within kilohertz frequency range from 40 to 440 kHz. One vertical electrode and even number of identical horizontal electrodes are used.

EFFECT: increased synthesis rate, reduced fullerene-containing mix cost, and lowered production loss.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области процессов синтеза фуллереновой смеси.The invention relates to the field of processes for the synthesis of fullerene mixture.

Известен способ производства фуллеренов, предложенный в работе [Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. // Nature (London) 1990. V 347. P.354], позволяющий синтезировать фуллеренсодержащую сажу за счет использования дугового разряда. По этому способу осуществляется распыление графита в атмосфере гелия при давлении 13,3 кПа. Через графитовые электроды пропускается переменный ток с частотой 60 Гц. Коэффициент преобразования графита в фуллеренсодержащую сажу при данном способе не превышает 20%. Содержание фуллереновой смеси в фуллеренсодержащей саже после выделения в неполярных растворителях при помощи жидкостной колоночной хроматографии, не более 10%. Скорость синтеза фуллереновой смеси не превышает 1 грамма в час.A known method for the production of fullerenes proposed in the work [Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. // Nature (London) 1990. V 347. P.354], which allows to synthesize fullerene-containing soot through the use of an arc discharge. This method sprays graphite in a helium atmosphere at a pressure of 13.3 kPa. An alternating current with a frequency of 60 Hz is passed through graphite electrodes. The conversion rate of graphite to fullerene-containing soot in this method does not exceed 20%. The content of the fullerene mixture in fullerene-containing soot after isolation in non-polar solvents using liquid column chromatography, not more than 10%. The synthesis rate of the fullerene mixture does not exceed 1 gram per hour.

Недостатком описываемого аналога является то, что для данного способа синтеза необходимо использование вакуума, что требует применения дорогостоящего вакуумного оборудования. Также низка скорость синтеза фуллереновой смеси, а коэффициент величины преобразования графита в фуллеренсодержащую сажу не превышает 20%.The disadvantage of the described analogue is that for this synthesis method, the use of vacuum is necessary, which requires the use of expensive vacuum equipment. The synthesis rate of the fullerene mixture is also low, and the coefficient of the conversion of graphite to fullerene-containing soot does not exceed 20%.

Также известен дуговой способ производства фуллеренов, где в плазмохимическом реакторе при атмосферном давлении осуществляется термическое испарение графита с образованием плазменной струи углерода, совмещенной с потоком гелия [Чурилов Г.Н. // ПТЭ. 2000. №1. с.5-15]. В водоохлаждаемой камере, входящей в состав плазмохимического реактора, расположены два графитовых электрода (внутренний и внешний). Внутренний электрод подается через графитовые контакты в камеру снизу. Внешний электрод закрепляется в камере стационарно. Распыление графита осуществляется дуговым разрядом с частотой переменного тока 44 кГц. Данная установка позволяет синтезировать фуллереновую смесь со скоростью ~1 грамм в час. Выход фуллереновой смеси в фуллеренсодержащей саже при данном способе составляет ~10%.The arc method for the production of fullerenes is also known, where in a plasma-chemical reactor at atmospheric pressure, the graphite is thermally evaporated to form a plasma jet of carbon combined with a helium stream [G. Churilov // PTE. 2000. No1. p.5-15]. In a water-cooled chamber, which is part of a plasma-chemical reactor, there are two graphite electrodes (internal and external). The inner electrode is fed through graphite contacts into the chamber from below. The external electrode is fixed in the chamber stationary. Graphite is sprayed with an arc discharge with an alternating current frequency of 44 kHz. This setup allows you to synthesize a fullerene mixture with a speed of ~ 1 gram per hour. The yield of fullerene mixture in fullerene-containing soot in this method is ~ 10%.

Недостатком описываемого аналога является то, что в данном способе низка скорость синтеза фуллереновой смеси. Коэффициент величины преобразования графита в фуллеренсодержащую сажу не превышает 20%.The disadvantage of the described analogue is that in this method the synthesis rate of the fullerene mixture is low. The coefficient of conversion of graphite to fullerene-containing soot does not exceed 20%.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа дуговой способ синтеза, где в реакционной камере при атмосферном давлении осуществляется разряд постоянного тока между водоохлаждаемыми анодом и катодом [JP №05-116925, кл. С01В 31/00, 1993]. Графитовый порошок непрерывно подается в плазму и происходит формирование фуллеренов. Дуга стабилизирована за счет фиксированного расстояния между электродами.The closest in technical essence to the claimed invention is the arc synthesis method selected as a prototype, where a direct current discharge between a water-cooled anode and a cathode is carried out at atmospheric pressure in a reaction chamber [JP No. 05-116925, class. СВВ 31/00, 1993]. Graphite powder is continuously fed into the plasma and fullerenes form. The arc is stabilized due to a fixed distance between the electrodes.

Недостатком прототипа является то, что в данном способе низок коэффициент величины преобразования графита в фуллеренсодержащую сажу, поскольку введение порошка в плазму не позволяет нагреть графитовый порошок до его полной атомизации.The disadvantage of the prototype is that in this method the coefficient of conversion of graphite to fullerene-containing soot is low, since the introduction of the powder into the plasma does not allow the graphite powder to be heated until it is completely atomized.

Техническим результатом изобретения является повышение скорости синтеза и снижение себестоимости фуллеренсодержащей смеси, за счет использования комбинированного питания постоянным и переменным током килогерцового диапазона частот, а также уменьшение потерь при производстве фуллеренсодержащей смеси, за счет использования иной конфигурации и расположения электродов.The technical result of the invention is to increase the synthesis rate and reduce the cost of a fullerene-containing mixture due to the use of combined DC and AC power in the kilohertz frequency range, as well as to reduce losses in the production of a fullerene-containing mixture, due to the use of a different configuration and arrangement of electrodes.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе синтеза фуллереновой смеси в плазме при атмосферном давлении в потоке гелия, включающем использование одного вертикального электрода и питание дуги постоянным током, новым является то, что используют питание дуги постоянным током до 1000 А и переменным током килогерцового диапазона частот от 40 до 440 кГц, а также тем, что дополнительно используют четное число горизонтальных одинаковых электродов.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for synthesizing a fullerene mixture in plasma at atmospheric pressure in a helium stream, including the use of one vertical electrode and supplying the arc with direct current, it is new that the arc is supplied with direct current up to 1000 A and alternating current in the kHz range frequencies from 40 to 440 kHz, as well as the fact that they additionally use an even number of horizontal identical electrodes.

В способе производства фуллереновой смеси дуговым методом при атмосферном давлении в потоке гелия питание дуги осуществляют за счет применения комбинированного питания постоянным током до 1000 А и переменным током килогерцового диапазона частот от 40 до 440 кГц, а также используют четное количество горизонтальных одинаковых графитовых электродов и один вертикальный электрод.In a method for producing a fullerene mixture by the arc method at atmospheric pressure in a helium stream, the arc is powered by using a combined power supply with direct current up to 1000 A and alternating current in the kilohertz frequency range from 40 to 440 kHz, and they also use an even number of horizontal identical graphite electrodes and one vertical electrode.

На фиг.1 и 2 даны возможные схемы подключения двух источников питания к установке с двумя горизонтальными электродами. На фиг.3 (главный вид) и 4 (вид сверху) представлена схема подключения трех источников питания к установке с четырьмя горизонтальными электродами.Figures 1 and 2 show possible schemes for connecting two power supplies to a unit with two horizontal electrodes. Figure 3 (main view) and 4 (top view) presents a diagram of the connection of three power sources to the installation with four horizontal electrodes.

В предлагаемом способе используется четное количество горизонтальных одинаковых графитовых электродов 1, выполненных в виде стержней, и один вертикальный электрод 2. Горизонтальные электроды располагаются друг напротив друга и закрепляются в графитовых контактах, размещенных в стенках камеры, или соединяются гибкими проводами.The proposed method uses an even number of identical horizontal graphite electrodes 1, made in the form of rods, and one vertical electrode 2. The horizontal electrodes are located opposite each other and are fixed in graphite contacts located in the chamber walls, or connected by flexible wires.

Питание дуги осуществляется за счет применения источника переменного тока высокой частоты килогерцового диапазона и источника постоянного тока. Значение подаваемого постоянного тока зависит от диаметра используемых графитовых электродов. Полярность подключения постоянного тока, представленная на фиг.1 и 3, соответствует максимальной эрозии горизонтальных электродов (поз.1). При таких условиях скорость синтеза фуллереновой смеси достигает 6 граммов в час. Выход фуллереновой смеси в фуллеренсодержащей саже составляет 10%.The arc is powered by the use of an alternating current source of high frequency in the kHz range and a direct current source. The value of the supplied direct current depends on the diameter of the graphite electrodes used. The polarity of the DC connection, shown in figures 1 and 3, corresponds to the maximum erosion of the horizontal electrodes (item 1). Under such conditions, the synthesis rate of the fullerene mixture reaches 6 grams per hour. The yield of fullerene mixture in fullerene-containing soot is 10%.

Благодаря использованию комбинированного питания дуги постоянным током и переменным током килогерцового диапазона частот скорость синтеза фуллереновой смеси увеличивается. За счет использования предложенной конфигурации и расположения электродов весь испаряющийся графит (не менее 98%) переходит в фуллеренсодержащую сажу. Фиг.5 показывает изменение основных параметров установки (1 - выход фуллеренсодержащей сажи; 2 - выход перекристаллизованного графита; 3 - расход электродов; 4 - содержание фуллеренов в саже; 5 - скорость получения фуллеренов) при разных способах питания дуги с двумя горизонтальными электродами: а - питание только постоянным током; б - питание только переменным током частотой 44 кГц; в - комбинированное питание постоянным и переменным током. Из графиков видно, что максимальная скорость получения фуллеренов наблюдается в случае комбинированного питания.Due to the use of combined arc supply with direct current and alternating current in the kHz frequency range, the synthesis rate of the fullerene mixture increases. Due to the use of the proposed configuration and arrangement of the electrodes, all the evaporated graphite (at least 98%) passes into fullerene-containing soot. Figure 5 shows the change in the main parameters of the installation (1 - the output of fullerene-containing soot; 2 - the output of recrystallized graphite; 3 - the consumption of electrodes; 4 - the content of fullerenes in soot; 5 - the rate of production of fullerenes) for different ways of supplying an arc with two horizontal electrodes: - power supply only with direct current; b - power supply only with alternating current with a frequency of 44 kHz; c - combined power supply by direct and alternating current. From the graphs it is seen that the maximum rate of fullerene production is observed in the case of combined nutrition.

При увеличении числа горизонтальных электродов наблюдается увеличение количества фуллеренсодержащей сажи, образующейся в единицу времени. Это приводит к увеличению скорости получения фуллеренов.With an increase in the number of horizontal electrodes, an increase in the amount of fullerene-containing soot formed per unit time is observed. This leads to an increase in the rate of production of fullerenes.

Claims

A method for synthesizing a fullerene mixture in a plasma at atmospheric pressure in a helium stream, comprising using one vertical electrode and supplying the arc with direct current, characterized in that the arc is supplied with direct current up to 1000 A and alternating current in the kHz range from 40 to 440 kHz, and the fact that they additionally use an even number of horizontal identical electrodes.