RU2433888C1 - Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама - Google Patents
Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама Download PDFInfo
- Publication number
- RU2433888C1 RU2433888C1 RU2010120554/02A RU2010120554A RU2433888C1 RU 2433888 C1 RU2433888 C1 RU 2433888C1 RU 2010120554/02 A RU2010120554/02 A RU 2010120554/02A RU 2010120554 A RU2010120554 A RU 2010120554A RU 2433888 C1 RU2433888 C1 RU 2433888C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- tungsten
- graphite
- arc
- synthesis
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу синтеза наночастиц карбида вольфрама. Способ включает синтез кислородсодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда. При этом управление морфологией синтезируемых наночастиц осуществляют путем откачивания вакуумной камеры до давления, равного 1,33 Па, и наполнения ее инертным газом, давление которого равно 666,61-66661 Па, перед зажиганием дуги, и зажиганием электрической дуги, имеющей ток разряда, равный 80-200 А, и напряжение разряда, равное 20-30 В, между графитовым электродом и композитным электродом. Композитный электрод представляет собой графитовый стержень с просверленной полостью по центру и наполнен кислородсодержащим соединением вольфрама, выбранным из группы, содержащей WO3, W(CO)6, причем массовое содержание графита и соединения вольфрама выбирают в соотношении, равном от 1:0,5 до 1:2. Поддержание условий горения дуги осуществляют путем варьирования межэлектродного, распыления композитного электрода в электрической дуге и осаждения полученных наночастиц на охлаждаемый экран. Технический результат заключается в создании способа синтеза наночастиц карбида вольфрама, позволяющего управлять морфологией и составом полученных наночастиц. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к плазменно-дуговой технологии синтеза наноструктурированных порошков карбида вольфрама, пригодных для использования в различных областях промышленности и техники.
Карбиды вольфрама находят широкое практическое применение в качестве прочного, износостойкого материала. Существует возможность использования карбида вольфрама (WC и W2C) в качестве катализаторов. достоинством карбидов являются их уникальные физические свойства: чрезвычайно высокая температура плавления, близкие к металлической термо- и электропроводимость, парамагнетизм. Кроме того, карбиды вольфрама проявляют высокую каталитическую активность, близкую к металлическим катализаторам, и могут служить перспективной заменой благородных металлов [Григорян Э.А. и др. Перспективы применения СВС в технологии приготовления катализаторов. - М.: НТЦ Информтехника, 1991; Grigoryan E.H. - International Journal of SHS, 1997, Т.6, №3; J.Brillo, R.Sur, H.Kuhlenbeck and H.-J. Freund. Surface Science. 397, 137, 1998].
Из известных физических способов для получения наноструктурированных порошков карбида вольфрама применяют: газофазный, плазмохимический, электрический взрыв проводников, способ искрового разряда, механохимический. Сущность физических способов состоит в резком изменении агрегатного состояния металла, что достигается тем, что исходный металл сначала испаряют путем интенсивного нагрева, а затем резко охлаждают. Размер и форма получаемых частиц зависит от температуры процесса, состава атмосферы и давления в реакционном пространстве. К общим недостаткам физических способов следует отнести большой разброс по гранулометрии, сильную загазованность синтезируемого вещества, неустойчивость к окислению и спеканию при комнатной температуре, низкая химическая и диффузионная активность при нагревании и низкую производительность при получении тугоплавких металлов. Плазменно-дуговой способ широко используют для синтеза металл-углеродных наночастиц большинства металлов, у которых при температурах 3000-3500 К, реализуемых в дуге, происходит интенсивное испарение. Исключением являются тугоплавкие металлы, такие как вольфрам (температура кипения - 5828 К).
Известен способ [US 5783263, 21.07.1998, МПК B22F 1/00, B22F 1/02, B22F 9/14, B22F 9/20, С01В 31/30, H01F 1/00, H01F 1/055, B22F 9/02, B22F 9/16, С01В 31/00, H01F 1/00, H01F 1/032], используемый для синтеза покрытых углеродом наночастиц ферромагнитных или парамагнитных соединений диаметром 5-60 нм, включающий следующие шаги: а) изготовление графитового стержня, полость которого наполняют металлом или сплавом, или оксидом металла, или сплава; б) распыление под действием электрической дуги графитового стержня, наполненного магнитным металлом или оксидом металла с целью получения сажи с наночастицами металла, оксида металла и немагнитными частицами; в) выделение из сажи наночастиц с помощью градиента магнитного поля.
Известен способ получения каталитически активного углеродного конденсата - покрытых углеродом наночастиц металла, сплава или карбида металла [US 5549973, 1996.08.27, МПК С01В 31/02; B22F 1/00; B22F 1/02; B22F 9/14; B22F 9/20; С01В 31/30; С22С 45/08; D06M 11/00; H01F 1/00; B22F 9/02; B22F 9/16]. Анод представляет собой графитовый стержень, в полость которого закладывают магнитный редкоземельный металл, сплав или металл, или оксид сплава. Под действием электрической дуги в среде инертного газа формируются содержащие металл кластеры. Для отделения наночастиц металлов от немагнитных частиц в саже используют градиент магнитного поля.
Для получения углеродного нанокомпозита в указанных аналогах [US 5549973, US 5783263] используют совместную конденсацию углерода и металла в электрической дуге, этим методов невозможно напрямую получить наночастицы тугоплавких металлов. В аналогах не предусмотрено управление морфологией получаемого продукта в процессе синтеза. Для отделения магнитных наночастиц от немагнитных дополнительно требуется применение магнитного поля.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков и назначению является патент RU 2349424 [RU 2349424, 20.03.2009, МПК B22F 9/22], в котором раскрыт способ синтеза кислородосодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда с получением смеси нанопорошков, состоящей из WC, WC2, вольфрама и свободного углерода.
Для синтеза карбида вольфрама в указанном изобретении используют углерод, получающийся из углеводородного газа. В предлагаемом способе углерод поступает в область синтеза при распылении электрода, т.е. не требуется углеводородного газа.
В указанном способе синтезируют наночастицы карбида вольфрама со средним размером 30-3000 нм, в предлагаемом - 4-6 нм.
В основу изобретения положена задача создания способа синтеза наночастиц карбида вольфрама в электрической дуге постоянного тока, позволяющего управлять морфологией синтезируемых наночастиц путем варьирования определяющими параметрами синтеза.
Поставленная задача решается путем использования новых операций в последовательности операций известного плазменно-дугового способа с целью получения нового результата - наночастиц соединений тугоплавких металлов таких, как карбид вольфрама с заданной морфологией.
Предлагаемый способ синтеза наночастиц карбида вольфрама включает: откачивание вакуумной камеры до давления (1,33 Па), наполнение инертным газом, выбираемым из ряда: Не, Ne, Ar, Kr, Xe, зажигание электрической дуги между графитовым и композитным электродами, поддержание условий горения дуги путем варьирования межэлектродным расстоянием, распыление в электрической дуге композитного электрода, представляющего собой графитовый стержень с просверленной полостью по центру, наполненный соединением вольфрама, осаждение наноструктурированного материала на охлаждаемый экран.
Управление морфологией синтезируемых наночастиц осуществляют путем варьирования определяющими параметрами синтеза: составом электродов, составом и давлением инертного газа, характеристиками электрического разряда. Соединение для наполнения графитового электрода выбирают из группы: WO3, W(CO)6, МоО2, МоО3. Массовое содержание графита и соединения вольфрама выбирают в соотношении от 1:0,5 до 1:2. В процессе синтеза наночастиц карбида вольфрама давление инертного газа варьируют в пределах 666,61-66661 Па, характеристики разряда варьируют в пределах: ток разряда 80-200 А, напряжение разряда 20-30 В.
Способ осуществляют в плазмодуговом реакторе, включающем герметичную вакуумную камеру, изготовленную из нержавеющей стали, с неподвижным расходуемым композитным электродом и подвижным графитовым электродом, конструкция которых позволяет варьировать межэлектродное расстояние для сохранения условий горения дуги, систему вакуумной откачки, источник электропитания постоянного тока, систему водяного охлаждения, систему подачи и сброса газа, измерительные системы для контроля давления и электрических параметров разряда, а также измерительные системы для контроля температуры, расхода газовой фазы и ее состава.
Способ осуществляют путем выполнения ряда последовательных операций. Вакуумную камеру реактора откачивают до давления 1,33 Па и затем наполняют инертным газом, который выбирают из ряда: Не, Ne, Ar, Kr, Хе, до требуемого давления. Затем в вакуумной камере между двумя электродами, в атмосфере инертного газа зажигают электрическую дугу. Неподвижный расходуемый электрод представляет собой графитовый стержнь с просверленной полостью по центру, наполненной соединением вольфрама, подвижный электрод - графитовую таблетку.
Поддержание условий горения дуги осуществляют путем варьирования межэлектродным расстоянием, перемещая электрод с помощью сильфонного узла передачи поступательного движения. При нагреве до температур, реализуемых в дуге, осуществляют распыление композитного электрода. Распыление в электрической дуге композитного электрода приводит к образованию атомарных компонент вольфрама, углерода и кислорода. Диффузия этих компонент в инертном газе приводит к протеканию целого спектра возможных реакций, в том числе формированию карбидов вольфрама: WC и W2C. В дальнейшем синтезированные продукты, представляющие собой наноструктурированный материал, осаждают на охлаждаемый экран. Кинетикой химических реакций и последующей конденсации продуктов синтеза в среде инертного газа определяется морфология и состав синтезированного материала. Управление морфологией синтезируемых наночастиц карбидов вольфрама осуществляют путем варьирования определяющими параметрами синтеза: составом электродов, составом и давлением инертного газа, электрическими характеристиками разряда. Соединение для наполнения графитового электрода выбирают из группы: WO3, W(CO)6. Массовое содержание графита и соединения в композитном электроде задают в соотношении от 1:0,5 до 1:2. Давление инертного газа варьируют в пределах от 666,61 до 66661 Па, электрические характеристики разряда варьируют в пределах: ток разряда от 80 до 200 А, напряжение разряда от 20 до 30 В.
Таким образом, в предлагаемом способе для синтеза наночастиц из тугоплавких металлов в электрической дуге подвергают пиролизу до атомарных компонент не металлы (W), а их соединения (WO3, W(CO)6). Варьирование определяющими параметрами синтеза позволяет синтезировать наночастицы карбида вольфрама с заданной морфологией и свойствами.
Синтезированный наноструктурированный материал представляет собой углеродную матрицу с наночастицами карбида вольфрама, имеет «рыхлую» структуру с очень большим числом свободных связей, проявляет высокую стабильность свойств во времени и при различных условиях. Характеристики получаемого материала:
- массовая доля карбидов вольфрама - от 20% и более;
- массовая доля углерода - от 0 до 80%,
- наночастицы карбидов вольфрама имеют кристаллическую структуру;
- размеры наночастиц карбидов вольфрама - преимущественно от 2 до 20 нм.
Осуществление изобретения.
Пример.
Для работы с вольфрамом использовался композит графита и трехокиси вольфрама (WO3). Для этого по центру распыляемого электрода (диаметр 7 мм) на всю его длину высверливалось отверстие диаметром 3 мм, в которое набивался порошок WO3. Эксперименты проведены в электрической дуге при токе 100 А в среде гелия при давлении 3333,05 Па.
Полученные продукты синтеза были исследованы с использованием просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения JEM-2010: осуществлена визуализация морфологии материала; проведен элементный анализ с использованием EDX-спектроскопии; параметры кристаллической структуры измерены по дифракции электронов.
Пример фотографии синтезированного материала приведен на фиг.1. Структура представляет собой наночастицы твердого вещества с характерным размером несколько нанометров на углеродной матрице. Во врезке фиг.1 приведен снимок высокого разрешения наночастицы. Наблюдаемая кристаллическая структура позволяет идентифицировать α-W2C модификацию карбида вольфрама с межплоскостным расстоянием d002=0.23 нм.
EDX-спектроскопия, фиг.2, показала, что в состав наночастиц входят вольфрам и углерод. Однако количественное отношение W:C для идентификации карбидных соединений вольфрама в частицах определить с помощью EDX-спектроскопии не удается, из-за присутствия углеродной матрицы, внутри которой находятся наночастицы.
Для определения химических соединений, которые синтезируются данным способом, использованы два различных метода анализа кристаллической структуры наночастиц: электронная дифрактометрия и анализ изображений высокого разрешения для определения межплоскостных расстояний.
Данные, полученные по электронной дифракции (дифрактограмма приведена на фиг.3), показали, что образец содержит набор карбидных соединений, среди которых имеются WC и α-W2C, а также присутствует металлический вольфрам: β-W. Также для определения фазового состава различных наноразмерных кристаллических частиц в системе W-C был проведен анализ изображений высокого разрешения с применением программы Gatan DigitalMicrograph 3.3.0.1. С ее помощью были получены картины Фурье (FFT) от периодических изображений кристаллической решетки и определены межплоскостные расстояния, отвечающие различным карбидным фазам. Полученные данные подтвердили прямые данные, полученные по электронной дифрактометрии.
Claims (2)
1. Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама, включающий синтез кислородсодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда, отличающийся тем, что осуществляют управление морфологией синтезируемых наночастиц путем откачивания вакуумной камеры до давления, равного 1,33 Па и наполнения ее инертным газом, давление которого равно 666,61-66661 Па, перед зажиганием дуги и зажиганием электрической дуги, имеющей ток разряда, равный 80-200 А, и напряжение разряда, равное 20-30 В, между графитовым электродом и композитным электродом, представляющим собой графитовый стержень с просверленной полостью по центру и наполненным кислородсодержащим соединением вольфрама, выбранным из группы, содержащей WO3, W(CO)6, причем массовое содержание графита и соединения вольфрама выбирают в соотношении, равном от 1:0,5 до 1:2, поддержание условий горения дуги осуществляют путем варьирования межэлектродного расстояния, распыления композитного электрода в электрической дуге и осаждения полученных наночастиц на охлаждаемый экран.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что инертный газ выбирают из группы: Не, Ne, Ar, Kr, Хе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010120554/02A RU2433888C1 (ru) | 2010-05-21 | 2010-05-21 | Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010120554/02A RU2433888C1 (ru) | 2010-05-21 | 2010-05-21 | Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2433888C1 true RU2433888C1 (ru) | 2011-11-20 |
Family
ID=45316648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010120554/02A RU2433888C1 (ru) | 2010-05-21 | 2010-05-21 | Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2433888C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530070C1 (ru) * | 2013-04-23 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | СПОСОБ СИНТЕЗА ПОЛЫХ НАНОЧАСТИЦ γ-Al2O3 |
| RU2532756C1 (ru) * | 2013-07-01 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | СПОСОБ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СеО2-PdO МАТЕРИАЛА |
| RU2541012C2 (ru) * | 2013-04-05 | 2015-02-10 | Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью | Полые углеродные наночастицы, углеродный наноматериал и способ его получения |
| RU2643697C1 (ru) * | 2017-05-11 | 2018-02-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук | Способ получения композитных наноструктур: диоксид кремния - серебро |
-
2010
- 2010-05-21 RU RU2010120554/02A patent/RU2433888C1/ru active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541012C2 (ru) * | 2013-04-05 | 2015-02-10 | Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью | Полые углеродные наночастицы, углеродный наноматериал и способ его получения |
| RU2530070C1 (ru) * | 2013-04-23 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | СПОСОБ СИНТЕЗА ПОЛЫХ НАНОЧАСТИЦ γ-Al2O3 |
| RU2532756C1 (ru) * | 2013-07-01 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | СПОСОБ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СеО2-PdO МАТЕРИАЛА |
| RU2643697C1 (ru) * | 2017-05-11 | 2018-02-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук | Способ получения композитных наноструктур: диоксид кремния - серебро |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pak et al. | Vacuumless synthesis of tungsten carbide in a self-shielding atmospheric plasma of DC arc discharge | |
| Deng et al. | Phase controlled synthesis of transition metal carbide nanocrystals by ultrafast flash Joule heating | |
| US7968072B2 (en) | In-situ synthesis of carbon nanotubes filled with metallic nanoparticles using arc discharge in solution | |
| JP5416402B2 (ja) | カーボンナノチューブを製造するための方法及び反応器 | |
| KR101328294B1 (ko) | 카본 나노 튜브의 제조 방법 및 카본 나노 튜브 제조용촉매 | |
| JP3986711B2 (ja) | 単層カーボンナノチューブの製造方法 | |
| Belgacem et al. | Arc discharge boron nitrogen doping of carbon nanotubes | |
| RU2433888C1 (ru) | Способ синтеза наночастиц карбида вольфрама | |
| Jamil et al. | The synthesis of porous Co3O4 micro cuboid structures by solvothermal approach and investigation of its gas sensing properties and catalytic activity | |
| Tan et al. | Synthesis and electrocatalytic applications of flower-like motifs and associated composites of nitrogen-enriched tungsten nitride (W 2 N 3) | |
| Abdullahi et al. | Selective synthesis of single-walled carbon nanotubes on Fe–MgO catalyst by chemical vapor deposition of methane | |
| Popov et al. | X-ray diffraction reinvestigation of the Ni-Pt phase diagram | |
| Xiong et al. | Ultrafine hardmetals prepared by WC–10 wt.% Co composite powder | |
| Ternero et al. | Effect of the carrier gas on the structure and composition of Co–Ni bimetallic nanoparticles generated by spark ablation | |
| Byeon et al. | Ambient spark generation to synthesize carbon-encapsulated metal nanoparticles in continuous aerosol manner | |
| Xu et al. | Nickel-rich NiCeLaFeCo medium-entropy alloy nanoparticles on oxygen and nitrogen co-doped carbon supports for hydrogen production from toluene cracking | |
| Wu et al. | Production of different morphologies and size of metallic W particles through hydrogen reduction | |
| Pak et al. | Effect of energy on the phase composition of the product of arc discharge synthesis in the tungsten–carbon system obtained in a self-shielding autonomous gas environment | |
| Liu et al. | Microwave-assisted synthesis of Pt nanocrystals and deposition on carbon nanotubes in ionic liquids | |
| Smovzh et al. | Arc discharge sputtering model of Mg–Al–C anode for the nanoceramics production | |
| De Jesús et al. | Size tunable carbon-encapsulated nickel nanoparticles synthesized by pyrolysis of nickel acetate tetrahydrate | |
| Rud et al. | Different states of carbon produced by high-energy plasmochemistry synthesis | |
| Pasala et al. | Thermally stabilized ferrite nanoparticles for hydrogen generation from thermochemical water-splitting reaction | |
| Wei et al. | Characterization of carbon encapsulated Fe-nanoparticles prepared by confined arc plasma | |
| Wei et al. | Growth mechanism of Cu nanopowders prepared by anodic are plasma |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QA4A | Patent open for licensing |
Effective date: 20180511 |