Синтез углеродных наночастиц в реакторе сжатия в атмосфере буферных газов

В работе исследованы физико-химические аспекты газофазного синтеза нанопорошков в циклическом реакторе при сжатии прекурсоров (метан, этилен, ацетилен) в условиях, близких к адиабатическим, в атмосфере буфер­ных одноатомных газов (аргон, гелий, неон). Изучено влияние давления в реакторе и объемного соотношения прекурсор / буферный газ на состав, морфологию и структуру углеродсодержащих частиц, являющихся продук­тами пиролиза. Установлено, что полное разложение наблюдается для всех прекурсоров, но при разных услови­ях. Тепловое разложение метана, имеющего минимальную энтальпию образования, наблюдалось в атмосфере аргона 97,5 % при пиковом давлении более 10 МПа. Обнаружено, что в атмосфере гелия возможности терми­ческой релаксации в условиях быстрых реакций (< 50 мс) существенно ограничены: удалось разложить только ацетилен, имеющий максимальную энтальпию образования. Полученные твердые продукты реакций представ­ляют собой черные порошки с плотностью 20–30 мг/см³. Порошки исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии, комбинационного рассеяния, рентгеноструктурного анализа. Частицы – полые или с заполненным центром глобулярные луковичные структуры размером до 100 нм. Рентгеноструктурный ана­лиз показал наличие графитоподобных кристаллитов размерами менее 10 нм во всех образцах. Комбинацион­ное рассеяние показало главным образом sp²-гибридизацию углерода. Показаны широкие возможности метода циклического адиабатического сжатия для пиролиза углеводородов с целью производства разнообразных угле­родных структур, позволившие осуществить регулируемый выход углеродных наноматериалов с требуемой для практического использования морфологией.

1. Sano N., Akazawa H., Kikuchi T., Kanki T. Separated synthesis of iron-included carbon nano­capsules and nanotubes by pyrolysis of ferrocene in pure hydrogen // Carbon. 2003. Vol. 41. Pp. 2159–2179.

2. Murphy D. W., Rosseinsky M. J., Fleming R. M., Tycko R., Ramirez A. P., Haddon R. C., Siegrist T., Dabbagh G., Tully J. C., Walstedt R. E. Synthesis and characterization of alkali fullerides: AXC60 // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1992. Vol. 53. P. 1321.

3. Feng H., Tang L., Zeng G., Tang J., Deng Y., Yan M., Liu Y., Zhou Y., Ren X., Chen S. Car­bon-based core–shell nanostructured materials for electrochemical energy storage // Journal of Materials Chemistry A. 2018. Vol. 6. Pp. 7310–7337.

4. Третьяков Ю. Д. Основные направления фундаментальных и ориентированных исследований в области наноматериалов / Ю. Д. Третьяков, Е. А. Гудилин // Успехи химии. 2009. Т. 78, № 9. С. 867–888.

5. Yan J., Saunders B.R. Third-generation solar cells: a review and comparison of polymer: fuller­ene, hybrid polymer and perovskite solar cells // RSC Advances. 2014. Vol. 4. Pp. 43286–43314.

6. Zhang L., Wang Y., Xu T., Zhu S., Zhu Y. Surface hybridization effect of C60 molecules on TiO2 and enhancement of the photocatalytic activity // Journal of Molecular Catalysis A: Chem­ical. 2010. Vol. 331. Pp. 7–14.

7. Saga S., Matsumoto H., Saito K., Minagawa M., Tanioka A. Polyelectrolyte membranes based on hydrocarbon polymer containing fullerene // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 176. Pp. 16–22.

8. Penkova A.V., Polotskaya G.A., Toikka A.M., Trchová M., Šlouf M., Urbanová M., Brus J., Brozová L., Pientka Z. Structure and Pervaporation Properties of Poly(phenylene-iso-phthalamide) Membranes Modified by Fullerene C60 // Macromolecular Materials and Engi­neering. 2009. Vol. 294. Pp. 432–440.

9. Sijbesma R., Srdanov G., Wudl F., Castoro J. A., Wilkins C., Friedman S. H., DeCamp D. L., Kenyon G.L. Synthesis of a fullerene derivative for the inhibition of HIV enzymes // Journal of the American Chemical Society. 1993. Vol. 115. Pp. 6510–6512.

10. Penkova A. V., Acquah S. F. A., Piotrovskiy L. B., Markelov D. A., Semisalova A. S., Kro­to H. W. Russian Chemical Reviews, 86 (2017) 530–566.

11. Viculis L. M., Mack J. J., Kaner R. B. A chemical route to carbon nanoscrolls // Science. 2003. Vol. 299. P. 1361.

12. Berger C., Song Z., Li T., X Li., Ogbazghi A. Y., Feng R., Dai Z., Marchenkov A. N., Con­rad E. H., First P. N., de Heer W. A. Ultrathin Epitaxial Graphite: 2D Electron Gas Properties and a Route toward Graphene-based Nanoelectronics // Journal of Physical Chemistry B. 2004. Vol. 108. Pp. 19912–19916.

13. Wang S., Ang P. K., Wang Z., Tang A. L. L., Thong J. T. L., Loh K. P. High Mobility, Print­able, and Solution-Processed Graphene Electronics // Nano Letters. 2010. Vol. 10.Pp. 92–98.

14. Fei Z., Rodin A. S., Andreev G. O., Bao W., McLeod A. S., Wagner M., Zhang L. M., Zhao Z., Thiemens M., Dominguez G., Fogler M. M., Castro Neto A. H., Lau C. N., Keil­mann F., Basov D. N. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infra red nano-imaging // Nature. 2012. Vol. 487. Pp. 82–85.

15. Chen H., Zhang L., Li M., Xie G. Synthesis of Core–Shell Micro/Nanoparticles and Their Tri­bological Application: A Review // Materials. 2020. Vol. 13. P. 4590.

16. Ezdin B., Pakharukov Yu., Kalyada V., Shabiev F., Zarvin A., Yatsenko D., Safargaliev R., Ichshenko A., Volodin V. The novel method of synthesis of nanostructured materials for the enhancing recovery in oil displacement technologies // Catalysis Today. 2021.

17. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. Vol. 354. Pp. 56–58.

18. Rode A. V., Hyde S. T., Gamaly E. G., Elliman R. G., McKenzie D. R., Bulcock S. Struc­tural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation // Appl. Phys. A. 1999. Vol. 69. Pp. 755–758.

19. Guo T., Nikolaev P., Thess A., Colbert D. T., Smalley R. E. Catalytic growth of single-walled nanotubes by laser vaporization // Chemical Physics Letters. 1995. Vol. 243. Pp. 49–54.

20. Jin Y. Z., Gao C., Hsu W. K., Zhu Y., Huczko A., Bystrzejewski M., Roe M., Lee C. Y., Acquah S., Kroto H., Walton D. R. M. Large-scale synthesis and characterization of carbon spheres prepared by direct pyrolysis of hydrocarbons // Carbon. 2005. Vol. 43. Pp. 1944–1953.

21. Ezdin B. S., Fedorov V. E., Nikiforov A. A., Zarvin А. Е., Mishchenko I. V., Kalyada V. V., Khodakov M. D. New compression reactor for hyperbaric hydrocarbon conversion // Nonequi­librium Processes in Plasma, Combustion and Atmospere / Ed. by A. M. Starik and S. M. Frolov. Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2012. Pp. 179–182.

22. Morrison P. W., Reimer J. A. Silane pyrolysis in a piston reactor // AIChE J. 1989. Vol. 35. Pp. 793–802.

23. Fedoseeva Y. V., Popov K. M., Pozdnyakov G. A., Yakovlev V. N., Sen’kovskiy B. V., Bu­lusheva L. G., Okotrub A. V. Structure of carbon nanoparticles synthesized by adiabatic com­pression of acetylene and their application in supercapacitors // Journal of Structural Chemistry. 2017. Vol. 58. Pp. 1196–1204.

24. Slotboom Y., Roosjen S., Kronberg A., Glushenkov M., Kersten S. R. A. Methane to ethylene by pulsed compression // Chemical Engineering Journal. 2021. Vol. 414. P. 128821.

25. Ashok A., Katebah M. A., Linke P., Kumar D., Arora D., Fischer K., Jacobs T., Al-Rawash­deh M. Review of piston reactors for the production of chemicals // Rev. Chem. Eng. 2021. doi: 10.1515/revce-2020-0116.

26. Никифоров A. A., Ездин Б. С., Куприков М. Ю. Химический реактор сжатия. RU2640079. 2017.

27. Mann J. B. Atomic Structure Calculations II. Hartree-Fock wave functions and radial expecta­tion values: hydrogen to lawrencium. LA-3691, Los Alamos Scientific Laboratory, USA, 1968.

28. Pimenta M. A., Dresselhaus G., Dresselhaus M. S., Cancado L. G., Jorio A., Saito R. Study­ing disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2007. Vol. 9. Pp. 1276–1291.

29. Тихомиров С., Кимстач Т. Спектроскопия комбинационного рассеяния – перспективный метод исследования углеродных наноматериалов // Аналитика. 2011. Т. 1, № 1. С. 28.

30. Knight D. S., White W. B. Characterization of diamond films by Raman spectroscopy // J. Ma­ter. Res. 1989. Vol. 4. Pp. 385–393.

31. Cancado L. G., Takai K., Enoki T., Endo M., Kim Y. A., Mizusaki H., Jorio A., Coelho L. N., Magalhaes-Paniago R., Pimenta M. A. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 163106.

32. Богданов К. В. Резонансная рамановская спектроскопия наноуглеродных материалов. Дис… канд. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2014. https://vak.minobrnauki.gov.ru/advert/174830.

33. Сморгонская Э. А., Звонарева Т. К., Иванова Е. И., Новак И. И., Иванов-Омский В. И. Однофононные рамановские спектры углерода в композитных пленках, полученных модифицированием аморфного гидрированного углерода медью и кобальтом // Физика твердого тела. 2003. Т. 45, вып. 9. С. 1579.

34. Wu J. B., Lin M. L., Cong X., Liu H. N., Tan P. H. Raman spectroscopy of graphene-based materials and its applications in related devices // Chem. Soc. Rev. 2018. Vol. 47. Pp. 1822–1873.

35. Harris P. J. F., Burian A., Duber S. High-resolution electron microscopy of a microporous carbon // Philosophical Magazine Letters. 2000. Vol. 80. Pp. 381–386.

36. Harris P. J. F. Fullerene-related structure of commercial glassy carbons // Philosophical Maga­zine. 2004. Vol. 84. Pp. 3159–3167.

37. Galakhov V. R., Buling A., Neumann M., Ovechkina N. A., Shkvarin A. S., Semenova A. S., Uimin M. A., Yermakov A. Ye., Kurmaev E. Z., Vilkov O. Y., Boukhvalov D. W. Carbon States in Carbon-Encapsulated Nickel Nanoparticles Studied by Means of X-Ray Absorption, Emission, and Photoelectron Spectroscopies // J. Phys. Chem. C. 2011, Vol. 115. Pp. 24615– 24620.

38. Ungár T., Gubicza J., Trichy G., Pantea C., Zerda T. W. Size and shape of crystallites and in­ternal stresses in carbon blacks // Composites Part A: Applied Science and manufacturing. 2005. Vol. 36(4). Pp. 431–436.

39. Соколовский Д. И. Электрофизические свойства и спектроскопия комбинационного рассеяния жгутов одностенных и двустенных углеродных нанотрубок при высоких давлениях. Дис… канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург, 2019. https://vak.minobrnauki.gov.ru/advert/100047131.

40. Kuzmany H., Pfeiffer R., Hulman M., Kramberger C. Raman Spectroscopy of Fullerenes and Fullerene-Nanotube Composites // Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Vol. 362, Vol. 1824, Raman Spectrocsopy in Carbons: From Nanotubes to Diamond (Nov. 15, 2004). Pp. 2375–2406.

41. Berezkin V. I. Fullerenes as nuclei of carbon black particles // Physics of the Solid State. 2000. Vol. 42. Pp. 580–585.

42. Wojdyr M. Fityk: a general-purpose peak fitting program // J. Appl. Cryst. 2010. Vol. 43. Pp. 1126–1128.

43. Meng J., Li S., Niu J. Crystallite structure characteristics and its influence on methane adsorp­tion for different rank coals // ACS Omega. 2019. Vol. 4. Pp. 20762–20772.

44. Xiong Y., Jin L., Yang H., Li Y., Hu H. Insight into the aromatic ring structures of a low-rank coal by step-wise oxidation degradation // Fuel Processing Technology. 2020. Vol. 210. P. 106563.