Пористый углеродный материал

 

Изобретение относится к области пористых углеродных материалов, находящих применение в качестве адсорбентов и носителей для катализаторов. Задачей предлагаемого изобретения является создание новой модификации высокопористого углеродного материала с упрядоченной микроструктурой поверхности. Предлагаемый пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную слоями углерода с истинной плотностью 1,8-2,1 г/см³ и структурными характеристиками d 002 = 0,340-0,349 нм, L_a = 4-18 нм, L_c = 3,5-14 нм. Слои углерода имеют форму лент шириной 10000-50000 нм и толщиной 30-150 нм. Ленты соединяются и разветвляются в узлах и ориентированы в пространстве в виде трехмерной сетки с длиной между узлами 80-500 мкм, площадью ячеек 8000-200000 мкм² и объемной плотностью материала 0,01-0,08 г/см³. Ленты имеют волнистую и трубчатую форму. Ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями. Микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] области размером 1-15 нм. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Настоящее изобретение относится к области пористых углеродных материалов, точнее к углеродным носителям для катализаторов и адсорбентам.

Разработка новых высокоточных технологий требует создания принципиально новых материалов, обладающих уникальными текстурными характеристиками. В последние годы резко возрос интерес исследователей к получению различных форм углерода, к которым можно отнести фуллерены, нанотрубки, углерод "луковичной" структуры и углеродные волокна. Эти материалы могут найти применение для решения вопросов адсорбции и катализа, а также в других областях техники, например, радиоэлектронике.

Известны пористые углеродные материалы активные угли [1] которые получают пиролизом различных углеродсодержащих материалов как природного, так и синтетического происхождения.

Существенным недостатком активных углей является хаотическое (т.е. отсутствие упорядоченности на микрокристаллическом уровне) строение их поверхности.

Графит имеет анизотропную структуру с выходом на поверхность кристаллов в направлении 002 базальных граней и в направлениях, перпендикулярных к 002 торцовых граней. Принципиальным недостатком графита, ограничивающим его применение в качестве носителя для катализаторов, является слабо развитая пористая структура.

Известен гранулированный углеродный материал, применяемый в качестве носителя для катализаторов [2] Пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную изогнутыми слоями углерода в форме волокон диаметром 10-150 нм, отношением длины к диаметру 160-2500, переплетенных случайным образом в гранулы. Волокна состоят из упакованных друг в друга пакетов графитоподобного углерода конической формы с углом раствора 60-180^o, межплоскостным расстоянием d 002 равным 0,34-0,35 нм, рентгеновской плотностью 2,17-2,24 г/см³. Пористый углеродный материал имеет удельную поверхность 85-135м²/г и объем пор 0,27-0,32 см³/г.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является пористый углеродный материал [3] (прототип), согласно которому пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную слоями углерода толщиной 10-1000 нм, истинной плотностью 1,8-2,1 г/см³, со структурными характеристиками d 002 0,340-0,349 нм, L_a=4-18 нм L_c=3,5-14 нм. Слои углерода ориентированы в пространстве в виде граней выпуклого многогранника с длиной ребер 4-1000 нм и средним углом между гранями 120-176^o. Пористый углеродный материал имеет поры в диапазоне размеров 4-20 и 20-200 нм с суммарным объемом пор 0,2-1,7 см³/г.

Задачей предлагаемого изобретения является создание новой модификации высокопористого углеродного материала с упорядоченной микроструктурой поверхности.

Поставленная задача достигается тем, что пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную слоями углерода с истинной плотностью 1,8-2,1 г/см³ и структурными характеристиками d 002 0,340-0,349 нм L_a 4-18 нм, L_c 3,5-14 нм. Слои углерода имеют форму лент шириной 10000-50000 нм и толщиной 30-150 нм. Ленты соединяются и разветвляются в узлах и ориентированы в пространстве в виде трехмерной сетки с длиной между узлами 80-500 мкм, площадью ячеек 8000-200000 мкм² и объемной плотностью материала 0,01-0,08 г/см^3.. Ленты имеют волнистую и трубчатую форму. Ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями. Микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] области размером 1-15 нм.

Анализ структурных характеристик известных пористых углеродных материалов позволяет заключить, что предметом изобретения является новая модификация высокопористого углерода.

Численные значения структурных параметров получены на основе совокупности результатов исследования пористого углеродного материала комплексом физических методов: сканирующая электронная микроскопия, электронная микроскопия высокого разрешения, электронная микродифракция, и адсорбционных методов.

По данным сканирующей электронной микроскопии, пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную слоями углерода. Слои углерода имеют форму лент шириной 1000-50000 нм. Ленты соединяются и разветвляются в узлах и ориентированы в пространстве в виде трехмерной сетки с длиной между узлами 80-500 мкм и площадью ячеек 8000-200000 мкм². Ленты имеют волнистую (поверхность искривляется вдоль оси ленты ) и трубчатую (искривление вокруг оси ленты) форму.

По данным просвечивающей электронной микроскопии, толщина лент составляет 30-150 нм.

По данным электронной микроскопии высокого разрешения и электронной микродифракции, ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями. Микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] зоны размером 1-15 нм.

Предлагаемый углеродный материал получают путем пиролиза газообразного углеводородного сырья в проточном реакторе, имеющего градиент температур по направлению потока сырья от 1100 до 500^oC.

Отличительными признаками по сравнению с известными углеродными материалами является то, что пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу с объемной плотностью 0,01-0,08 г/см³, образованную слоями углерода, имеющими форму лент шириной 10000-50000 нм и толщиной 30-150 нм. Ленты соединяются в узлах и ориентированы в пространстве в виде трехмерной сетки с диной между узлами 80-500 мкм, площадью ячеек 8000-200000 мкм².

Другое отличие состоит в том, что ленты имеют волнистую и трубчатую форму.

Следующее отличие заключается в том, что ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями.

Следующее отличие состоит в том, что микрокристаллиты углерода ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] зоны размером 1-15 нм.

Углеродный материал с указанным строением обладает исключительно низкой объемной плотностью 0,01-0,08 г/см³, что соответствует удельному объему пористого пространства в этом материале 12-100 см³/г. Этот показатель в 10-100 раз превышает значение объема пор для большинства известных пористых углеродных материалов. Предлагаемый углеродный материал является перспективным носителем для катализаторов с низким гидродинамическим сопротивлением.

Благодаря ленточному строению каркаса матрицы новый углеродный материал может обладать повышенной способностью к отражению электромагнитного излучения, что в сочетании с низкой объемной плотностью открывает возможность его использования в качестве высокотемпературного вакуумного теплоизолятора.

Упорядоченное расположение микрокристаллитов углерода на поверхности лент является основой для приготовления высокоизбирательных сорбентов с однородным составом поверхности.

Характеристики известных углеродных материалов приведены в примерах 1,2.

Пример 1 (аналог). Пористый углеродный материал в виде трехмерной углеродной матрицы, образованной изогнутыми слоями углерода, имеющими форму волокон, переплетенных случайным образом в гранулы. Волокна имеют диаметр 40-60 нм, отношение длины волокна к диаметру 160-250. Волокна состоят из упакованных друг в друга пакетов графитоподобного углерода конической формы с углом раствора 60-90 градусов, межплоскостным расстоянием d 002 0,345 нм, рентгеновской плотностью 2,20 г/см³ и истинной плотностью 2,15 г/см³. Углеродный материал имеет удельную поверхность переходных пор 120 м²/г, объем пор 0,32 см³/г и средний диаметр пор 20 нм.

Пример 2 (прототип). Пористый углеродный материал в виде трехмерной матрицы, образованной слоями углерода толщиной 10-500 нм, истинной плотностью 2,05 г/см³ и объемом пор 0,93 см³/г. Слои углерода ориентированы в пространстве в виде граней выпуклого многогранника с длиной ребер 3-35 нм и углом между гранями 140-176^o. Углеродный материал имеет следующие рентгено-структурные характеристики: d 002 0,349 нм, L_a 4 нм. L_c 3,5 нм.

Предлагаемый углеродный материал и его характеристики иллюстрируются примерами 3-5.

Пример 3. Пористый углеродный материал в виде трехмерной матрицы, образованной слоями углерода, представляющими собой ленты шириной 10000-30000 нм и толщиной 30-100 нм. Ленты имеют волнистую и трубчатую формы и соединены в узлах с расстоянием между узлами 200-500 мкм, образуя в пространстве сетку с площадью ячеек 20000-200000 мкм². Ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями. Микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] области размером 1-10 нм. Пористый углеродный материал имеет объемную плотность 0,1 г/см³.

Пример 4. Пористый углеродный материал в виде трехмерной матрицы, образованной слоями углерода, представляющими собой ленты шириной 10000-40000 нм и толщиной 80-120 нм. Ленты имеют волнистую и трубчатую форму и соединены в узлах с расстоянием между узлами 100-400 мкм, образуя в пространстве трехмерную сетку с площадью ячеек 10000-150000 мкм². Ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями. Микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] области размером 1-15 нм. Пористый углеродный материал имеет объемную плотность 0,015 г/см³.

Пример 5. Пористый углеродный материал в виде трехмерной матрицы, образованной слоями углерода, представляющими собой ленты шириной 20000-50000 нм и толщиной 80-150 нм. Ленты имеют волнистую и трубчатую форму и соединены в узлах с расстоянием между узлами 80-300 нм, образуя в пространстве трехмерную сетку с площадью ячеек 8000-100000 мкм². Ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями. Микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] области размером 1-10 нм. Пористый углеродный материал имеет объемную плотностью 0,08 г/см³.

Характеристики углеродных материалов, полученных по примерам 1-5 представлены в таблице.

Таким образом, представленные выше результаты показывают, что предлагаемый углеродный материал принципиально отличается по своей структуре от известных углеродных материалов и может рассматриваться как новая модификация высокопористого углеродного материала с упорядоченной микроструктурой поверхности.

Источники информации: 1. Activated Carbon a Fasceinating Material. Ed. A.Capelle, F.de Vooys. Norit N.V. Amersfoort. The Netherlands, 1983.

Патент РФ N2036718, кл. B 01 J 20/20, преоритет от 02.12.91. опубл. 09.06.95, бюл. N16.

3. Патент РФ N2008969, кл. B 01 J 21/18, преоритетр от 16.03.92, опубл. 15.03.94, Бюл. N5.

Формула изобретения

1. Пористый углеродный материал в виде трехмерной матрицы, образованной слоями углерода, истинной плотностью 1,8 2,1 г/см³, структурными характеристиками d 002 0,340 0,349 нм, L_a 4 18 нм, L_c 3,5 14,0 нм, отличающийся тем, что слои углерода имеют форму лент шириной 10000 50000 нм и толщиной 30 150 нм, которые соединены в узлах, имеют длину между узлами 80 500 мкм и ориентированы в пространстве в виде трехмерной сетки с площадью ячеек 8000 200000 мкм² и материал имеет объемную плотность 0,01 0,08 г/см³.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что ленты имеют волнистую и трубчатую форму.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что ленты состоят из микрокристаллитов графитоподобного углерода, ориентированных на поверхность торцевыми гранями.

4. Материал по пп.1 и 3, отличающийся тем, что микрокристаллиты ориентированы базальными плоскостями преимущественно перпендикулярно продольной оси ленты и образуют упорядоченные по направлению [001] области размером 1 15 нм.

РИСУНКИ

Рисунок 1