PL222072B1 - Sposób wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych z wykorzystaniem katalitycznego rozkładu węglowodorów z fazy gazowej (CCVD).

Wielościenne nanorurki węglowe stanowią współosiowy układ nawet kilkudziesięciu cylindrów, zbudowanych ze zwiniętych i zamkniętych heksagonalnych płaszczyzn grafenowych. Należą do grupy nanomateriałów o potencjalnie szerokim zakresie zastosowań, zwłaszcza w mikroelektronice i inżynierii ciała stałego.

Znane sposoby wytwarzania nanorurek węglowych bazują w większości na fakcie sublimacji węgla w inertnej atmosferze. Jedną z metod chemicznych jest metoda katalitycznego rozkładu węglowodorów - CCVD (catalytic Chemical vapour deposition). Katalityczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej jest to jedna z metod służąca do otrzymywania cienkich powłok na materiale, w celu zmiany jego właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych. Metoda ta polega na wprowadzaniu do komory reakcyjnej pieca gazowych substratów, gdzie na gorącym podłożu katalizatora zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne, wymagające stosowania wysokich temperatur. Jako substraty (prekursory) stosuje się zarówno gazy jak i ciecze w formie pary, które za pomocą tzw. gazów nośnych są wprowadzane do komory reakcyjnej. Gazy nośne są obojętne lub mogą brać udział w reakcjach chemicznych prowadzących do powstawania warstw.

Z opisu patentowego USA nr 7094385 znany jest sposób wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych przez katalityczny rozkład węglowodorów. Proces jest prowadzony w temperaturze 500-900°C, na katalizatorze ze związków magnezu i kobaltu, który stanowi roztwór stały oparty na CoO. Stosowany węglowodór, w szczególności acetylen, jest rozcieńczony azotem jako gazem nośnym. Oddzielenie nanorurek węglowych z materiału katalizatora następuje poprzez rozpuszczanie materiału katalizatora w roztworze kwasu, zwłaszcza solnego, odzyskiwanie nanorurek oraz ich przemywanie i suszenie.

Znany jest również z opisu EP nr 1797950 sposób otrzymywania wielościennych nanorurek węglowych na drodze selektywnej konwersji węglowodorów przy zastosowaniu wieloskładnikowych związków tlenkowych zawierających nikiel, kobalt, żelazo i glin jako katalizator. Jako źródło węgla stosowane są węglowodory nienasycone i nasycone takie jak acetylen, etylen, metan lub gaz ziemny.

Celem wynalazku jest opracowanie wysokowydajnego sposobu wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych w oparciu o katalizator otrzymany z niedrogich składników.

Istota wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych polega na tym, że przez piec rurowy po osiągnięciu temperatury w zakresie 650-800°C przepuszcza się, korzystnie w czasie 1 godziny, mieszaninę acetylenu z azotem, przy czym stosunek objętościowy acetylenu do azotu w mieszaninie wynosi 1:2. Otrzymane wielościenne nanorurki węglowe chłodzi się z katalizatorem do temperatury pokojowej w atmosferze azotu.

Sposób według wynalazku pozwala na uzyskanie wielościennych nanorurek węglowych z dużą wydajnością. Otrzymane nanorurki węglowe charakteryzują się bardzo dobrym przewodnictwem, co pozwala na wykorzystanie ich jako potencjalnych składników materiałów elektrodowych do kondensatorów elektrochemicznych a także innych chemicznych źródeł prądu.

P r z y k ł a d I Katalizator umieszcza się w piecu rurowym w ilości 250 mg, po czym nagrzewa się piec do temp. 650°C w atmosferze azotu, przy przepływie gazu 10 l/h. Po osiągnięciu zadanej temperatury w piecu, zastępuje się atmosferę interną azotu, mieszaniną acetylenu z azotem, gdzie stosunek objętościowy acetylenu do azotu wynosi 1:2 i przepuszcza się przez piec rurowy mieszaninę gazów w czasie 1 godziny. Szybkość przepływu mieszaniny gazów wynosi 15 l/h. Następnie całość schładza się do temperatury pokojowej w atmosferze azotu. Otrzymuje się w rezultacie ok. 1500 mg nanorurek węglowych z katalizatorem.

W celu usunięcia katalizatora materiał umieszcza się w kolbie ze stężonym kwasem solnym i w czasie 12 godzin, w temperaturze 80°C miesza się przy wykorzystaniu mieszadła magnetycznego. Następnie nanorurki węglowe przemywa się kilkakrotnie wodą destylowaną do uzyskania obojętnego pH i suszy się w suszarce, w temperaturze 100°C.

Wielościenne nanorurki węglowe otrzymane sposobem według wynalazku tworzą splątaną sieć ₂ o powierzchni rzeczywistej BET 107 m²/g. Średnica zewnętrzna nanorurek mieści się w granicach 15-25 nm, natomiast kanał centralny jest w granicach kilku nanometrów.

P r z y k ł a d II Katalizator, po odparowaniu wody, umieszcza się w ilości 2 g w piecu rurowym w atmosferze azotu i poddaje się procesowi kalcynacji w temperaturze 800°C w czasie 5 godzin

PL 222 072 B1 z przepływem gazu 20 l/h. Po przeprowadzeniu procesu układ chłodzi się do temperatury pokojowej.

Wydajność procesu kalcynacji wynosi 20%.

W następnym etapie umieszcza się w piecu rurowym 250 mg katalizator i doprowadza się piec do temp. 800°C, w atmosferze azotu, z przepływem gazu 10 l/h. Po osiągnięciu zadanej temperatury w piecu, zastępuje się atmosferę interną azotu, mieszaniną acetylenu z azotem, w stosunku objętościowym 1:2, którą przepuszcza się przez piec rurowy w czasie 1 godziny. Szybkość przepływu mieszaniny gazów wynosi 15 l/h. Następnie całość ochładza się do temperatury pokojowej w atmosferze azotu.

Otrzymuje się w rezultacie ok. 1200 mg nanorurek węglowych z katalizatorem. W celu usunięcia katalizatora depozyt węglowy traktuje się stężonym kwasem solnym i dalej postępuje analogicznie jak w przykładzie I.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych polegający na katalitycznym rozkładzie acetylenu z fazy gazowej z wykorzystaniem azotu jako gazu nośnego oraz oczyszczaniu wielościennych nanorurek węglowych z katalizatora za pomocą kwasu solnego, następnie ich myciu i suszeniu, znamienny tym, że katalizator umieszcza się w piecu rurowym i ogrzewa, przy przepływie azotu, do temperatury w zakresie 650-800°C, a po osiągnięciu tej temperatury przepuszcza się przez piec rurowy, korzystnie w czasie 1 godziny, mieszaninę acetylenu z azotem, przy czym stosunek objętościowy acetylenu do azotu w mieszaninie wynosi 1:2 i tak otrzymane wielościenne nanorurki węglowe wraz z katalizatorem chłodzi się do temperatury pokojowej w atmosferze azotu.