Нитевидный углерод

Нитевидный углерод представляет собой углеродсодержащую структуру отложений, которая относится к нескольким аллотропам углерода , включая углеродные нанотрубки , углеродные нановолокна и микрокатушки . [1] [2] [3] Он образуется из газообразных соединений углерода . [1] Все нитевидные углеродные структуры содержат металлические частицы. Это либо железо , кобальт , никель или их сплавы. Отложения его также значительно нарушают метанирование синтез-газа . [4] Ацетилен участвует в ряде методов производства нитевидного углерода. Структуры нитевидного углерода являются мезопористыми и имеют размер микрометрового масштаба. Большинство реакций, которые образуют структуры, происходят при температуре 280 °C (536 °F) или выше.

Нитевидный углерод применяется для очистки разливов сырой нефти и создания прочных и легких композитов. Нитевидный углерод также имеет значительно отличающиеся термодинамические свойства от графита , другой формы углерода. Однако нитевидный углерод частично состоит из графитовых листов.

Характеристики

Нитевидные углеродные структуры обычно имеют диаметр от 10 до 500 нанометров. Обычно они имеют длину 10 000 нанометров (10 микрометров). Они имеют дуплексную структуру. Внешняя часть структур трудно окисляется , но ядро ​​окисляется легче. Металлическая частица обычно располагается на растущем конце структуры, хотя иногда ее можно обнаружить в ее середине. Кроме того, из одной металлической частицы иногда может вырастать более одной нити. Нитевидный углерод бывает либо спиральным , либо прямым, либо скрученным . [1] Он содержит графитовые слои в конической форме. [2] Плоскости графита, расположенные близко к интерфейсу между углеродом и атомом никеля в нити, параллельны интерфейсу. Нити также могут быть полыми. [5]

Нитевидный углерод имеет термодинамические свойства, которые отличаются от свойств графита . Это частично связано с тем, что структура нитевидного углерода более разупорядочена, чем структура графита. Другие теории о различии свойств включают то, что отклонение основано на образовании промежуточной фазы карбидов . Эта теория была предложена Де Бокксом и др. и Мэннингом и др. . Однако маловероятно, что центральным атомом металла является никель, потому что в этом случае, поскольку карбиды разлагаются при 350 °C (662 °F), и образование карбидов не наблюдалось во время такой реакции. [2]

Разница в растворимости металла и нитевидного углерода также позволяет углероду диффузировать. [2] Когда аллотроп участвует в реакции газификации при температуре ниже 600 °C (1112 °F), энергия активации реакции составляет приблизительно 178 килоджоулей на моль . [4]

Нитевидный углерод является мезопористым и имеет необычные текстурные свойства. [6] Он также имеет парамагнитные свойства. [7] Он также имеет высокий уровень механической прочности . [8]

Частицы никеля, расположенные в нитевидном углероде, который выращивается в метане и водороде между 490 °C (914 °F) и 590 °C (1094 °F), имеют тенденцию быть грушевидными на верхнем конце температурного диапазона. При более высоких температурах металлическая частица деформируется. Длина конической структуры нитей также увеличивается с температурой. Когда катализатор из меди и кремния подвергается воздействию метана и водорода при 927 °C (1701 °F), образуются полые, длинные нитевидные углеродные структуры, и они также содержат капли металла. [9]

Биологические свойства

Когда фермент глюкоамилаза находится на керамической поверхности, покрытой нитевидным углеродом, стабильность фермента резко возрастает. [10]

Происшествие

Нитевидный углерод обычно образуется на металлах, включая железо , кобальт и никель . [1] Для образования нитевидного углерода также требуется водород. [9] Однако они также образуются на сплавах этих металлов. [6] Железо является лучшим материалом для образования нитевидного углерода, чем никель. [8] Например, в присутствии метанола , при давлении 7 килопаскалей и температуре 500 °C (932 °F), нитевидный углерод растет на железе, но не на никеле. [8] Образование материала на этих металлах обычно происходит при температурах от 327 °C (621 °F) до 1027 °C (1881 °F). [1] Он также образуется, когда хром используется в качестве катализатора для разложения ацетилена . [11] Нитевидный углерод также является одним из семи аллотропов углерода, образующихся при образовании кокса на трубках реактора и катализаторах. Аллотроп обладает способностью разрушать опорные структуры катализатора, тем самым блокируя реакторы. Он также образуется во время потокового риформинга вместе с другими разновидностями углерода. [2]

Синтез

Нитевидный углерод также может быть синтезирован путем крекинга метана . Затем продукт газифицируется водородом . В эксперименте, который это обнаружил, в качестве металлической частицы для нити использовалась частица никеля . Нить осаждается на «стороне поддержки» никелевой частицы. [2]

Нитевидный углерод может также образовываться при разложении ацетилена на пленках палладия и диоксида кремния . Однако нитевидный углерод не образуется на пленках палладия и диоксида кремния, если их предварительно нагреть водородом при температуре 597 °C (1107 °F). Это происходит потому, что в этих условиях палладий и диоксид кремния реагируют, образуя силицид палладия. Железо и диоксид кремния вместе также действуют как катализатор для формирования структур. Иногда в ходе этой реакции образуется силикат железа . [12]

Другой эксперимент показал , что нитевидный углерод может образовываться при диспропионировании оксида углерода над оксидом кобальта . В ходе эксперимента нагретая науглероживающая газовая смесь направлялась над порошкообразным оксидом кобальта. Нитевидный углерод является основным отложением, которое образуется в результате этой реакции, когда она проводится при 600 °C (1112 °F). [4]

Когда хлорбензол гидродехлорируется над никелем и кремнием, образуются высокоупорядоченные структуры нитевидного углерода. Когда присутствуют калий и бром , эта реакция может происходить при температурах до 280 °C (536 °F). Это происходит потому, что калий и бром способствуют реструктуризации активных участков , тем самым вызывая деструктивную хемосорбцию реагента, а также вызывая образование осадка углерода. Добавление гидроксида калия к смеси никеля и кремния в реакции мало изменило выход реакции. Однако добавление бромида калия значительно увеличило выход. [13] Другие бромиды щелочных металлов также позволяют реакции и образованию нитевидного углерода. Такие бромиды щелочных металлов включают бромид цезия . [14]

Нитевидный углерод также может быть синтезирован путем разложения карбида хрома при 100-200 мегапаскалей и 350 °C (662 °F) - 800 °C (1470 °F). [15] Он также был образован с катализатором из кобальта и фосфата алюминия при 2 мегапаскалях и 220 °C (428 °F) - 240 °C (464 °F). Присутствие рутения в этой реакции снижает выход нитевидного углерода. [16]

Приложения

Нитевидный углерод использовался для очистки нефтяных разливов . Это работает за счет связывания нитей с сырой нефтью . [17] Он также используется в легких композитных материалах, которые должны обладать прочностью при высоких температурах. [18]

История

Нитевидный углерод был известен по крайней мере с 1890 года, когда П. и Л. Шютценбергер наблюдали его, пропуская цианоген над раскаленным фарфором . [19] В 1950-х годах было обнаружено, что нити могут быть получены в результате реакций газов, таких как углеводороды, с металлами, такими как железо, кобальт и никель. Первые электронные микрофотографии трубчатых версий нитей появились в 1952 году. [19] В период с 1970-х по 1990-е годы нитевидный углерод был предметом ряда исследовательских усилий. Эти исследования включали изучение термодинамических свойств образования аллотропа. [2] Наиболее значимое исследование, которое проводилось в то время, было проведено Терри Бейкером в 1970-х годах и касалось предотвращения роста нитевидного углерода внутри охлаждающих труб ядерных реакторов . [19]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde "Нитевидный углерод". Сборник химических терминов ИЮПАК . 2009. doi :10.1351/goldbook.F02362. ISBN 978-0-9678550-9-7.
  2. ^ abcdefg Snoeck, J.-W.; Froment, GF; Fowles, M. (1997). "Формирование и газификация нитевидного углерода: термодинамика, движущая сила, зародышеобразование и стационарный рост". Journal of Catalysis . 169 (1): 240–9. doi :10.1006/jcat.1997.1634.
  3. ^ Торнтон, Мэтью Джеймс (2005). Каталитическое осаждение углерода на трехмерных носителях из углеродного волокна (диссертация на соискание степени доктора философии). Ноттингемский университет.[ нужна страница ]
  4. ^ abc Starkovich, JA; Lim, Wei-Yue; Peng, H. (1984). Модель каталитической реакции для газификации нитевидного углерода (PDF) . Симпозиум по каталитической переработке топлива. стр. 89–94. Архивировано из оригинала (PDF) 28.04.2017 . Получено 01.09.2013 .
  5. ^ Ли, Сяонянь; Чжан, И; Смит, Кевин Дж. (2004). «Влияние взаимодействия металл–носитель на рост нитевидного углерода на катализаторах Co/SiO 2 ». Applied Catalysis A: General . 264 (1): 81–91. doi :10.1016/j.apcata.2003.12.031.
  6. ^ аб Решетенко, ТВ; Авдеева Л.Б.; Исмагилов З.Р.; Пушкарев В.В.; Черепанова С.В.; Чувилин А.Л.; Лихолобов, В.А. (2003). «Каталитический нитевидный углерод». Карбон . 41 (8): 1605–15. дои : 10.1016/S0008-6223(03)00115-5 .
  7. ^ Романенко, Константин В.; д'Эспиноз Де Ла Кайери, Жан-Батист; Фрейссар, Жак; Решетенко, Татьяна В.; Лапина, Ольга Б. (2005). " Исследование каталитического нитевидного углерода методом ЯМР 129 Xe". Микропористые и мезопористые материалы . 81 (1–3): 41–8. doi :10.1016/j.micromeso.2005.01.016.
  8. ^ abc Debokx, P. (1985). «Образование нитевидного углерода на железных и никелевых катализаторах I. Термодинамика». Журнал катализа . 96 (2): 454–67. doi :10.1016/0021-9517(85)90314-8.
  9. ^ аб Альструп, И.; Таварес, Монтана; Бернардо, Калифорния; Соренсен, О.; Роструп-Нильсен-младший (1998). «Образование углерода на катализаторах из никеля и никель-медных сплавов». Материалы и коррозия . 49 (5): 367–72. doi :10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M. hdl : 1822/1533 .
  10. ^ Коваленко, ГА; Кувшинов, ДГ; Комова, ОВ; Симаков, АВ; Рудина, НА (2004). "Каталитические нитевидные углероды (CFC) и керамика с покрытием CFC для иммобилизации биологически активных веществ". В Guceri, Selcuk; Gogotsi, Yury G.; Kuznetsov, Vladimir (ред.). Наноинженерные нановолокнистые материалы . Dordrecht: Springer. стр. 265–70. ISBN 978-1-4020-2549-5.
  11. ^ Бейкер, Р. (1973). «Образование нитевидного углерода из катализируемого железом, кобальтом и хромом разложения ацетилена». Журнал катализа . 30 (1): 86–95. doi :10.1016/0021-9517(73)90055-9.
  12. ^ Кемпиньски, Л. (1989). «Формирование нитевидного углерода из ацетилена на пленках Pd/SiO2: влияние реакции металл-носитель». Reaction Kinetics and Catalysis Letters . 38 (2): 363–7. doi :10.1007/BF02062132. S2CID  100956295.
  13. ^ Парк, Колин; Кин, Марк А. (2001). «Рост нитевидного углерода на никеле/кремнеземе: калий и бром как промоторы катализатора». ChemPhysChem . 2 (12): 733–41. doi :10.1002/1439-7641(20011217)2:12<733::AID-CPHC733>3.0.CO;2-5. PMID  23686923.
  14. ^ Парк, Колин; Кин, Марк А. (2002). «Рост нитевидного углерода с поверхности Ni/SiO2, легированного бромидами щелочных металлов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 250 (1): 37–48. Bibcode : 2002JCIS..250...37P. doi : 10.1006/jcis.2002.8298. PMID  16290632.
  15. ^ Basavalingu, B.; Madhusudan, P.; Dayananda, AS; Lal, K.; Byrappa, K.; Yoshimura, M. (2007). «Формирование нитевидного углерода посредством диссоциации карбида хрома в гидротермальных условиях». Journal of Materials Science . 43 (7): 2153–7. Bibcode :2008JMatS..43.2153B. doi :10.1007/s10853-007-1927-9. S2CID  136589375.
  16. ^ Bae, Jong Wook; Kim, Seung-Moon; Park, Seon-Ju; Prasad, PS Sai; Lee, Yun-Jo; Jun, Ki-Won (2009). «Дезактивация путем образования нитевидного углерода на фосфате Co/алюминия во время синтеза Фишера-Тропша». Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (6): 3228–33. doi :10.1021/ie801956t.
  17. ^ "Нитевидные углеродные частицы для очистки нефтяных разливов" . Получено 2 сентября 2013 г.[ ненадежный источник? ]
  18. ^ Штейнфельд, А.; Кириллов, В.; Кувшинов, Г.; Могильных, Ю.; Реллер, А. (1997). «Производство нитевидного углерода и водорода путем солнечно-термического каталитического крекинга метана». Химическая инженерия . 52 (20): 3599–603. doi :10.1016/S0009-2509(97)00166-8.
  19. ^ abc Harris, Peter JF (2009). "Каталитически полученные углеродные нанотрубки". Наука об углеродных нанотрубках: синтез, свойства и применение . Кембридж: Cambridge University Press. стр. 6–7. ISBN 978-0-521-82895-6.
  • Нитевидные углеродные частицы для очистки разливов нефти и способ их производства
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Нитевидный_углерод&oldid=1218397062"