RU2556763C2 - Method of synthesising ultradispersed diamonds - Google Patents
Method of synthesising ultradispersed diamonds Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556763C2 RU2556763C2 RU2013143996/28A RU2013143996A RU2556763C2 RU 2556763 C2 RU2556763 C2 RU 2556763C2 RU 2013143996/28 A RU2013143996/28 A RU 2013143996/28A RU 2013143996 A RU2013143996 A RU 2013143996A RU 2556763 C2 RU2556763 C2 RU 2556763C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- plasma
- cavitation
- synthesis
- substance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к синтезу алмазных наночастиц (или, согласно более традиционному названию в отечественных литературных источниках, ультрадисперсных алмазов), которые могут быть использованы в материаловедении при создании различного рода нанокомпозитов, в катализаторах, в качестве антиизносных присадок к маслам, в косметологии и фармакологии.The invention relates to the synthesis of diamond nanoparticles (or, according to the more traditional name in domestic literature, ultrafine diamonds), which can be used in materials science to create various kinds of nanocomposites, in catalysts, as anti-wear additives for oils, in cosmetology and pharmacology.
Известно превращение различных форм углерода в алмаз при давлении порядка 100000 кг/см2 [1]. Суть метода заключается в детонации углеродсодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом в замкнутом объеме в газовой среде, инертной к углероду, в окружении конденсированной фазы. Недостаток способа состоит в том, что процесс может быть осуществлен только в периодическом режиме и требует достаточно громоздкого оборудования. Кроме того, получаемый продукт синтеза наряду с частицами наноалмазов, содержит частицы аморфного углерода (сажи) и требует проведения операции очистки и обогащения.The conversion of various forms of carbon into diamond is known at a pressure of the order of 100,000 kg / cm 2 [1]. The essence of the method is the detonation of a carbon-containing explosive with a negative oxygen balance in a closed volume in a gas medium inert to carbon, surrounded by a condensed phase. The disadvantage of this method is that the process can be carried out only in batch mode and requires quite cumbersome equipment. In addition, the resulting synthesis product, along with particles of nanodiamonds, contains particles of amorphous carbon (soot) and requires a purification and enrichment operation.
Известен способ и устройство плазмохимического синтеза нанообъектов [2]. Способ заключается в том, что создают плазму путем пропускания плазмообразующего газа через электрическую дугу с выходом плазмы через сопло, в которое вводят исходный дисперсный материал. При этом осуществляется воздействие на плазму высокочастотным полем, при одновременной подаче в область между зоной реакции и водоохлаждаемой камерой поток охлаждающего инертного газа. Кроме того, дополнительно в плазму вводят катализатор путем испарения катода, который перемещают по мере его испарения.A known method and device for plasma-chemical synthesis of nano-objects [2]. The method consists in creating a plasma by passing a plasma-forming gas through an electric arc with the exit of the plasma through a nozzle into which the source dispersed material is introduced. In this case, the plasma is exposed to a high-frequency field, while a flow of a cooling inert gas is supplied to the region between the reaction zone and the water-cooled chamber. In addition, a catalyst is additionally introduced into the plasma by evaporation of the cathode, which is transferred as it evaporates.
Недостатком аналога является сложность оборудования для его реализации, и необходимость в использовании катализаторов.The disadvantage of the analogue is the complexity of the equipment for its implementation, and the need to use catalysts.
Известен способ получения углеродосодержащих наночастиц [3], включающий формирование плазменной струи (в качестве плазмообразующего вещества используются газообразные углеводороды) с помощью плазмотрона и введения струи в объем жидких углеводородов. Недостатком способа является пожароопасность из-за совместного применения плазмы и углеводородов в сочетании с непродуманным способом ввода плазменной струи в объем углеводородов, полностью не исключающих смешение с кислородом воздуха, либо требующее реализации дорогостоящих технологических мер направленных на предотвращение случайного возгорания.A known method for producing carbon-containing nanoparticles [3], including the formation of a plasma jet (gaseous hydrocarbons are used as a plasma-forming substance) using a plasma torch and introducing the jet into the volume of liquid hydrocarbons. The disadvantage of this method is the fire hazard due to the combined use of plasma and hydrocarbons in combination with an ill-conceived method of introducing a plasma jet into the volume of hydrocarbons that do not completely exclude mixing with oxygen, or requiring the implementation of expensive technological measures aimed at preventing accidental fire.
Известен способ [4], наиболее близкий к патентуемому, основанный на введении в воду плазменной струи со скоростью ее истечения из сопла порядка 100 м/с. В качестве плазмообразующего вещества используется этиловый спирт либо его водный раствор. Из-за возникающих больших градиентов скоростей и температур, взрывного пара- и вихреобразования в объеме воды в зоне контакта с плазмой происходит образование кавитационных пузырьков, внутрь которых попадают атомы углерода, содержащихся в плазме, как продукт разложения молекул спирта. При схлопывании пузырьков при возникающем давлении более 10000 кг/см2 образуются в соответствии с диаграммой фазовых состояний углерода наноалмазы, которые концентрируются в воде в виде взвеси.The known method [4], which is closest to the patented one, is based on introducing a plasma jet into water with a velocity of its outflow from a nozzle of the order of 100 m / s. Ethyl alcohol or its aqueous solution is used as a plasma-forming substance. Due to the large gradients of velocities and temperatures, explosive vapor and vortex formation in the water volume in the zone of contact with the plasma, cavitation bubbles form, inside which the carbon atoms contained in the plasma fall as a product of the decomposition of alcohol molecules. When the bubbles collapse at a pressure of more than 10,000 kg / cm 2 , nanodiamonds are formed in accordance with the phase diagram of carbon, which are concentrated in water in the form of a suspension.
Недостаток способа [4] состоит в том, что в качестве плазмообразующего вещества, предполагается использование спирта, в котором содержание атомов углерода невысоко, тем самым процесс синтезе менее эффективен, чем если бы использовалось сырье, в котором процентное содержание атомов углерода в молекуле выше. Кроме того, процесс не позволяет изменять условия синтеза, тем самым изменяя характеристики получаемых наночастиц, оптимизируя их свойства для той или иной области их применения.The disadvantage of the method [4] is that as a plasma-forming substance, it is assumed to use alcohol in which the content of carbon atoms is low, thereby the synthesis process is less efficient than if raw materials were used in which the percentage of carbon atoms in the molecule is higher. In addition, the process does not allow changing the synthesis conditions, thereby changing the characteristics of the resulting nanoparticles, optimizing their properties for a particular area of their application.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность увеличения энергетической эффективности реализуемого плазмохимического синтеза наноалмазов и возможность управлять свойствами синтезируемых наночастиц, меняя технологические параметры процесса синтеза.The technical result of the claimed invention is the ability to increase the energy efficiency of the realized plasma-chemical synthesis of nanodiamonds and the ability to control the properties of the synthesized nanoparticles, changing the technological parameters of the synthesis process.
На рисунке 1 приведена фотография лабораторной установки, реализующей данное изобретение. На рисунке 2 приведен типичный результат определения размеров наночастиц методом динамического светорассеивания. На рисунке 3 приведена типичная рентгенограмма (рентгеноструктурный анализ) для одного из полученных образцов наноалмазов.Figure 1 shows a photograph of a laboratory installation that implements this invention. Figure 2 shows a typical result of determining the size of nanoparticles by dynamic light scattering. Figure 3 shows a typical X-ray diffraction pattern (X-ray diffraction analysis) for one of the obtained nanodiamond samples.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе возможно использование в качестве плазмообразующего вещества любого углеродсодержащего вещества. В качестве такого вещества могут быть углеводородные газы, органические жидкости, в т.ч. содержащие дополнительно вещества, имеющие гетероатомы, дисперсии частиц аморфного углерода (сажи) в органических жидкостях или воде и одновременно с этим предусматривается охлаждение и конденсация углеродной плазмы потоком охлаждающей жидкости внутри струйного кавитационного аппарата гидродинамического типа, обеспечивающего дополнительное кавитационное воздействие на охлаждающую жидкость.The technical result is achieved due to the fact that in the proposed method it is possible to use any carbon-containing substance as a plasma-forming substance. As such a substance can be hydrocarbon gases, organic liquids, including additionally containing substances having heteroatoms, dispersions of amorphous carbon particles (soot) in organic liquids or water, and at the same time, cooling and condensation of the carbon plasma by the flow of the cooling liquid inside the jet cavitation apparatus of the hydrodynamic type, providing additional cavitation effect on the cooling liquid, is provided.
Синтез ультрадисперсных (нано-) алмазов состоит в следующем. Плазмообразующее углеродсодержащее вещество, в качестве которого может быть использован любой улеводородный газ, либо органическая жидкость, а также дисперсии частиц технического углерода в органических жидкостях или воде, пропускается через плазматрон, с образованием плазмы, с высоким уровнем содержания атомов углерода.The synthesis of ultrafine (nano-) diamonds is as follows. Plasma-forming carbon-containing substance, which can be any hydrocarbon gas or organic liquid, as well as dispersions of carbon black particles in organic liquids or water, is passed through a plasmatron, with the formation of a plasma with a high content of carbon atoms.
Плазменная струя увлекается потоком охлаждающей жидкости внутри струйного кавитационного аппарата гидродинамического типа, обеспечивающего дополнительное кавитационное воздействие на охлаждающую жидкость.The plasma jet is carried away by the flow of coolant inside the jet cavitation apparatus of the hydrodynamic type, which provides additional cavitation effect on the coolant.
При контакте углеродсодержащей плазмы, происходит конденсация атомов углерода в отдельные кластеры. Алмаз - метастабильная форма углерода. Переход других аллотропных модификаций углерода в алмаз возможен при ударно-волновом нагружении его частиц по характерному излому ударной адиабаты графита. Такое нагружение возможно, если конденсация плазмы сопровождается явлениями кавитации, что подробно описано в [4]. Явление кавитации, возникает и в случае, когда плазменная струя направлена в стационарный объем жидкости, и в случае, когда на жидкость не оказывается никакого дополнительного воздействия вызывающего возникновение кавитации. Однако дополнительно кавитационное воздействие на поток охлаждающей жидкости позволяет существенно минимизировать размеры установки, вести процесс в замкнутой системе без использования защитной атмосферы. Также, изменяя интенсивность кавитационного воздействия (для проточных струйных аппаратов), достаточно изменить объем подачи охлаждающей жидкости.Upon contact of a carbon-containing plasma, the condensation of carbon atoms into individual clusters occurs. Diamond is a metastable form of carbon. The transition of other allotropic modifications of carbon to diamond is possible under shock wave loading of its particles along the characteristic fracture of the shock adiabat of graphite. Such loading is possible if plasma condensation is accompanied by cavitation phenomena, which is described in detail in [4]. The cavitation phenomenon arises both in the case when the plasma jet is directed into the stationary volume of the liquid and in the case when there is no additional effect on the liquid causing the cavitation. However, in addition, the cavitation effect on the flow of coolant can significantly minimize the size of the installation, to conduct the process in a closed system without the use of a protective atmosphere. Also, changing the intensity of cavitation exposure (for flowing jet devices), it is enough to change the volume of coolant supply.
Выбор плазмообразующего вещества с точки зрения возможности образования алмазов не принципиален и осуществляется исходя из обеспечения максимальной энергетической эффективности ведения процесса, доступности того или иного сырья либо с учетом необходимости получения наночастиц алмазов с определенными свойствами. Чем больше процентное содержание атомов углерода в плазмообразующем веществе, тем большее количество наноалмазов можно получить, затратив одно и то же количество энергии. Кроме того, если возникает необходимость синтеза наноалмазов, содержащих гетероатомы, возможно использовать в качестве плазмообразующей жидкости смеси, например, углеводородов с веществами содержащими гетероатомы. В частности, для алмазов, содержащих гетероатомы азота, целесообразно применение в качестве добавки ацетонитрила, а в случае атомов кремния - тетраэтоксисилана. В целом, выбор плазмообразующего вещества не принципиален с точки зрения возможности получения наноалмазов согласно заявляемому способу и не ограничивает данное изобретение. Также не принципиален выбор охлаждающей жидкости, который определяется либо экономической целесообразностью (вода) либо приданию поверхности наночастиц алмазов определенных свойств.The choice of a plasma-forming substance from the point of view of the possibility of diamond formation is not fundamental and is based on ensuring the maximum energy efficiency of the process, the availability of one or another raw material, or taking into account the need to obtain diamond nanoparticles with certain properties. The higher the percentage of carbon atoms in the plasma-forming substance, the greater the number of nanodiamonds can be obtained by spending the same amount of energy. In addition, if it becomes necessary to synthesize nanodiamonds containing heteroatoms, it is possible to use mixtures of, for example, hydrocarbons with substances containing heteroatoms as a plasma-forming liquid. In particular, for diamonds containing nitrogen heteroatoms, it is advisable to use acetonitrile as an additive, and in the case of silicon atoms, tetraethoxysilane. In General, the choice of plasma-forming substances is not fundamental in terms of the possibility of obtaining nanodiamonds according to the claimed method and does not limit the invention. The choice of coolant, which is determined either by economic feasibility (water) or by imparting certain properties to the surface of diamond nanoparticles, is also not fundamental.
Использование того или иного типа плазматрона или кавитационного проточного аппарата с точки зрения реализации изобретения непринципиально, поскольку не имеет значения, каким способом будет получена плазма и каким способом будет создаваться кавитационное воздействие на поток жидкости.The use of one type or another of a plasmatron or a cavitation flow apparatus is unprincipled from the point of view of the invention, since it does not matter how the plasma will be obtained and how the cavitation effect on the fluid flow will be created.
Для подтверждения заявляемого технического результата была сконструирована простейшая лабораторная установка и проведен ряд синтезов. Установка включала дуговой плазматрон и проточный кавитационный аппарат гидродинамического типа. Размер частиц определялся методом динамического светорассеивания, а содержание гетероатомов в составе наночастиц подтверждалось данными элементного анализа. Первичная идентификация алмазов проводилась облучением дисперсии ультрафиолетовым светом (алмазы флуоресцируют, в отличие от других аллотропных форм углерода). Для более точной идентификации применялся метод рентгеноструктурного анализа. Данные по серии экспериментов представлены в таблице 1.To confirm the claimed technical result, a simple laboratory setup was constructed and a number of syntheses were carried out. The setup included an arc plasmatron and flow-through cavitation apparatus of a hydrodynamic type. Particle size was determined by dynamic light scattering, and the content of heteroatoms in the composition of the nanoparticles was confirmed by elemental analysis. The primary identification of diamonds was carried out by irradiating the dispersion with ultraviolet light (diamonds fluoresce, in contrast to other allotropic forms of carbon). For more accurate identification, the method of x-ray diffraction analysis was used. Data on a series of experiments are presented in table 1.
Также был проведен эксперимент, реализующий способ [4]. Затраты электроэнергии на питание плазматрона, отнесенное к производительности установки по наноалмазам, для заявляемого способа составили 0,87 (согласно примеру 7 табл.1) по сравнению с прототипом [4].An experiment was also carried out that implements the method [4]. The cost of electricity for the power of the plasmatron, referred to the productivity of the plant for nanodiamonds, for the proposed method amounted to 0.87 (according to example 7 of table 1) compared with the prototype [4].
Таким образом, вышеприведенные данные подтверждают достоверность заявленного технического результата.Thus, the above data confirm the reliability of the claimed technical result.
Источники информации Information sources
1. RU 2359902, C01B 31/06.1. RU 2359902, C01B 31/06.
2. RU 2371381, 2009.2. RU 2371381, 2009.
3. B11283 C01B 31/00, 2008.3. B11283 C01B 31/00, 2008.
4. RU 2484014 C2 (прототип).4. RU 2484014 C2 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143996/28A RU2556763C2 (en) | 2013-10-01 | 2013-10-01 | Method of synthesising ultradispersed diamonds |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143996/28A RU2556763C2 (en) | 2013-10-01 | 2013-10-01 | Method of synthesising ultradispersed diamonds |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013143996A RU2013143996A (en) | 2015-04-10 |
RU2556763C2 true RU2556763C2 (en) | 2015-07-20 |
Family
ID=53282343
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013143996/28A RU2556763C2 (en) | 2013-10-01 | 2013-10-01 | Method of synthesising ultradispersed diamonds |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2556763C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2616040C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-04-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "РБ-Композит" | Method of synthesis of carbon-containing nanoparticles and following production of technical hydrogen |
RU2650971C1 (en) * | 2016-08-15 | 2018-04-18 | Леонид Васильевич Носачев | Nanodiamonds synthesis method |
RU2784236C1 (en) * | 2021-09-28 | 2022-11-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) | Method for production of ultra-dispersed diamonds and installation for its implementation |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1823216A1 (en) * | 1991-01-22 | 1996-05-10 | Сибирский химический комбинат | Thermochemical reactor |
RU2252817C1 (en) * | 2003-12-23 | 2005-05-27 | Институт проблем химической физики Российской Академии наук | Installation and method for production of nanodispersed powders in microwave plasma |
JP2006273707A (en) * | 2005-03-01 | 2006-10-12 | Tohoku Univ | Method for producing nanocarbon material, producing device, and nanocarbon material |
RU2348580C1 (en) * | 2005-12-30 | 2009-03-10 | Государственное Учреждение "Федеральное Агентство По Правовой Защите Результатов Интеллектуальной Деятельности Военного, Специального И Двойного Назначения" При Министерстве Юстиции Российской Федерации | Nanodiamond and method of its obtainment |
US7704401B2 (en) * | 2006-05-31 | 2010-04-27 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Liquid treatment apparatus and liquid treatment method |
US7862782B2 (en) * | 2007-01-12 | 2011-01-04 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Apparatus and methods for producing nanoparticles in a dense fluid medium |
RU2484014C2 (en) * | 2011-08-17 | 2013-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "АС и ПП" | Method of producing carbon-containing nanoparticles |
-
2013
- 2013-10-01 RU RU2013143996/28A patent/RU2556763C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1823216A1 (en) * | 1991-01-22 | 1996-05-10 | Сибирский химический комбинат | Thermochemical reactor |
RU2252817C1 (en) * | 2003-12-23 | 2005-05-27 | Институт проблем химической физики Российской Академии наук | Installation and method for production of nanodispersed powders in microwave plasma |
JP2006273707A (en) * | 2005-03-01 | 2006-10-12 | Tohoku Univ | Method for producing nanocarbon material, producing device, and nanocarbon material |
RU2348580C1 (en) * | 2005-12-30 | 2009-03-10 | Государственное Учреждение "Федеральное Агентство По Правовой Защите Результатов Интеллектуальной Деятельности Военного, Специального И Двойного Назначения" При Министерстве Юстиции Российской Федерации | Nanodiamond and method of its obtainment |
US7704401B2 (en) * | 2006-05-31 | 2010-04-27 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Liquid treatment apparatus and liquid treatment method |
US7862782B2 (en) * | 2007-01-12 | 2011-01-04 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Apparatus and methods for producing nanoparticles in a dense fluid medium |
RU2484014C2 (en) * | 2011-08-17 | 2013-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "АС и ПП" | Method of producing carbon-containing nanoparticles |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2616040C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-04-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "РБ-Композит" | Method of synthesis of carbon-containing nanoparticles and following production of technical hydrogen |
RU2650971C1 (en) * | 2016-08-15 | 2018-04-18 | Леонид Васильевич Носачев | Nanodiamonds synthesis method |
RU2784236C1 (en) * | 2021-09-28 | 2022-11-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) | Method for production of ultra-dispersed diamonds and installation for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013143996A (en) | 2015-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3009783A (en) | Production of carbon black | |
US7217407B2 (en) | Plasma synthesis of metal oxide nanoparticles | |
Bulychev et al. | Hydrogen production by low-temperature plasma decomposition of liquids | |
SA516380482B1 (en) | Apparatus and Method for Plasma Synthesis of Graphitic Products Including Graphene | |
EP3227411B1 (en) | Direct incorporation of natural gas into hydrocarbon liquid fuels | |
RU2556763C2 (en) | Method of synthesising ultradispersed diamonds | |
RU2011115430A (en) | METHOD FOR PRODUCING CARBON NANOTUBES AND REACTOR (OPTIONS) | |
Suslick | Encyclopedia of physical science and technology | |
Li et al. | Process intensification in vapor–liquid mass transfer: the state-of-the-art | |
JP2020029483A (en) | Producing method and apparatus for liquid hydrocarbon | |
NO170826B (en) | FLYRADARANORDNING | |
NO123177B (en) | ||
RU2473463C2 (en) | Method of obtaining highly rigid carbon nanoparticles c8 | |
RU2593061C1 (en) | Method of obtaining ultra-disperse powders of titanium | |
HUT77682A (en) | Thermo-mechanical cracking and hydrogenation | |
RU2484014C2 (en) | Method of producing carbon-containing nanoparticles | |
RU2784336C1 (en) | Method for producing hydrogen from methane | |
Gafner et al. | Analysis of the size distribution of binary Cu-Au nanoparticles during synthesis from a gaseous medium | |
Dames et al. | Plasma chemistry and plasma reactors for turquoise hydrogen and carbon nanomaterials production | |
Kolesova et al. | The Effect of Ultrasonic Processing on the Dispersivity of Detonation Carbon | |
UA82066C2 (en) | Process for the preparation of boron carbide fine-dispersed powder | |
JP2019523209A (en) | Process and apparatus for cracking hydrocarbon fuels | |
Juda et al. | The influence of microwave plasma power on the degree of natural gas conversion to carbon nanoforms | |
KR20140097656A (en) | manufacturing method of copper nano fluid using liquid phase plasma reaction | |
Voropaev et al. | Photoluminescence of nitrogen-doped nanodiamonds of cavitation synthesis |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161002 |