Аккумулирующий материал для насыщения атомарными веществами и способ его получения
Владельцы патента RU 2528775:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к материаловедению, микро- и наноэлектронике и может быть использовано в технологических процессах получения энергоносителей. В качестве аккумулирующего материала для насыщения атомарными и/или молекулярными веществами использован шаровидный материал микронных размеров, состоящий из наноразмерных двумерных спиралеобразно, радиально и аксиально расположенных пластин графита, имеющих единый центр. Отличительной чертой представленного аккумулирующего материала является наличие развитой поверхности пластин графита. Для решения поставленной задачи предложен также способ получения аккумулирующего материала для насыщения атомарными веществами и/или молекулярными веществами, заключающийся в том, что выделяют из высокопрочного чугуна шаровидный графит, подвергают его очистке от примесей оксидов кремния и оксидов железа, полученную массу сепарируют по размерам, очищают путем удаления несвязанных частиц графита с поверхности шаровидного графита, подвергают расщеплению. Задачей данного изобретения является расширение арсенала средств для накопления и хранения веществ в атомарном и/или молекулярном состоянии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к материаловедению, микро- и наноэлектронике, а также к области получения веществ с новыми особыми свойствами и может быть использовано в технологических процессах получения энергоносителей.
Известны устройство для аккумулирования и хранения водорода и способ его изготовления (см. патенты РФ №2037737, МПК F17С 11/00, опубл. 19.06.1995 и 2038525, МПК F17С 11/00, опубл. 27.06.1995), основанные на связывании водорода в твердом материале (например, в гидридах металлов или сорбция на поверхности дисперсных наноматериалов). Такие устройства для аккумулирования и хранения водорода являются наиболее взрывобезопасными из существующих, т.к. водород не имеет избыточного давления, но такие системы инерционны и требуют определенное время (порядка несколько минут) для начала работы, поглощение и выделение водорода происходит со значительными тепловыми эффектами, кроме того, массовое содержание водорода - отношение веса водорода, содержащегося в аккумуляторе, к весу самого аккумулятора 4,5% является очень низким. Массовое содержание зависит как от количества водорода в аккумулирующем материале, так и от удельного веса аккумулирующего материала.
Известны полые стеклянные микросферы для хранения водорода, имеющие пористые стенки (см. патент США №7666807, опубл. 23 февраля 2010). Стеклянные микросферы содержат внутри небольшие зернышки палладия. http://appft1.uspto детально описывает процесс создания стеклянных микросфер с поперечником от 1 до 200 микронов, содержащих внутри большую пустую полость (плотность сфер, таким образом, составляет от 1 до 2 граммов на кубический сантиметр). Стенки этих сфер содержат множество пор поперечником от 10 до 1 тысячи ангстрем. Внутри же самих сфер заключены небольшие зернышки палладия. Предполагается, что предварительно поместив порцию таких сфер в герметичную емкость с водородом и создав в ней большое давление, можно зарядить водородом эти сферы: газ пройдет через поры и будет накапливаться в палладии, который очень хорошо впитывает водород.
Однако данные конструкции обладают относительно малой емкостью, что не позволяет концентрировать большие объемы веществ.
Наиболее близким к предлагаемому решению является наполнитель-аккумулятор водорода, представляющий собой микропористую структуру из высокопрочного материала. Микропористая структура выполнена из полых микросфер. Кроме того, микропористая структура выполнена из полимеров группы арамидов. Также микропористая структура может быть выполнена из пенометалла, например пеноникеля, пенотитана. Кроме того, микропористая структура выполнена из материала с протонопроводящими свойствами (см. патент РФ №2285859, F17C 11/00, опубл. 20.10.2006). Недостаток данного аккумулятора заключается в необходимости закачивания газов под давлением.
Задачей данного изобретения является расширение арсенала средств для накопления и хранения веществ в атомарном и/или молекулярном состоянии.
Технический результат заключается в обеспечении возможности заполнения при нормальном давлении за счет увеличения эффективной поверхностной площади, а также в увеличении объема насыщаемых атомарных и/или молекулярных веществ.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в качестве аккумулирующего материала для насыщения атомарными и/или молекулярными веществами использован шаровидный материал микронных размеров, состоящий из наноразмерных двумерных спиралеобразно, радиально и аксиально расположенных пластин графита, имеющих единый центр. Отличительной чертой представленного аккумулирующего материала является наличие развитой поверхности пластин графита.
Для решения поставленной задачи предложен также способ получения аккумулирующего материала для насыщения атомарными веществами и/или молекулярными веществами, заключающийся в том, что выделяют из высокопрочного чугуна шаровидный графит, подвергают его очистке от примесей оксидов кремния и оксидов железа, полученную массу сепарируют по размерам, очищают путем удаления несвязанных частиц графита с поверхности шаровидного графита, подвергают расщеплению.
Изобретение поясняется чертежами,
где на фиг. 1 приведена наглядная схема предлагаемого единичного аккумулятора;
на фиг. 2 - структура поверхности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом;
на фиг. 3 - шаровидный графит после выделения из высокопрочного чугуна;
на фиг. 4 - шаровидный графит, отобранный по размерам, не превышающим в диаметре 63 мкм;
на фиг. 5 - внешний вид аккумулятора для насыщения атомарными и/или молекулярными веществами;
на фиг. 6 - снимок внутреннего строения аккумулирующего материала (вещества) диаметром 50 мкм, полученный с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) высокого разрешения SEM Mira\\LMU фирмы “TESCAN”;
на фиг. 7 - строение наноразмерных двумерных пластин;
на фиг. 8 - размеры наноразмерных двумерных пластин;
на фиг. 9 и 10 представлено строение пластин после расщепления,
где 1 - оболочка шаровидного графита; 2 - слои радиально и аксиально расположенных графитовых пластин;3 - слои спиралеобразно расположенных пластин графита; C- центр; D- диаметр.
Аккумулирующий материал представляет собой шаровидный графит микронных размеров, который содержит на поверхности множество пор и микроканалов для закачки атомарных и/или молекулярных веществ, способных адсорбировать на своей поверхности атомарные и/или молекулярные вещества. Шаровидный графит имеет внутреннюю структуру, состоящую из наноразмерных двумерных спиралеобразно 3, радиально и аксиально 2 расположенных пластин графита с общим центом 4.
Шаровидный графит может быть получен путем выделения глобул углерода из высокопрочного чугуна. Высокопрочный чугун может быть получен, в частности, по способу (см. авторское свидетельство СССР №558942).
Для получения аккумулирующего материала для насыщения атомарными веществами и/или молекулярными веществами шаровидный графит выделяют из высокопрочного чугуна путем травления чугуна в смеси концентрированных азотной (65-68% мас.) и соляной (35-38% мас.) кислот, взятых в соотношении 1:3 по объему. Далее материал подвергают сепарации путем просева через столб сит на вибромашине, тем самым отбирая глобулы в диапазоне размеров 50-63 мкм в диаметре. Затем материал подвергают очистке от примесей: оксидов железа путем выдерживания в концентрированной соляной кислоте, оксидов кремния, выдерживая в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот, взятых в соотношении 2:3 по объему. Окончательную очистку проводят в дистиллированной воде. Удаление слабо связанных частиц графита с поверхности шаровидного графита осуществляют с помощью обработки в ультразвуке в концентрированном растворе N-метилпирролидона в течение не более 30 мин при мощности УЗВ 250 Вт. Также могут быть подобраны другие режимы проведения очистки. Полученные глобулы используют в качестве аккумулирующего материала индивидуально или совокупно в зависимости от необходимого объема.
Для повышения эффективного объема и площади контакта с атомарными и/или молекулярными веществами пластин графита материал подвергается расщеплению методом терморасширения графита.
Расщепление осуществляют следующим образом.
Шаровидный графит подвергают электрохимическому окислению на аноде из нержавеющей стали, в качестве электролита используется 50% серная кислота, катод выполнен также из нержавеющей стали, ток стабилизируется на уровне 0.5А, время окисления 2 часа. Далее шаровидный графит промывают в дистиллированной воде от остатков кислоты. Затем его подвергают термоудару при температуре порядка 1000оС в муфельной печи в течение 30 с.
Для увеличения эффективной поверхностной площади операции окисления и термоудара могут повторяться.
Предложенный материал имеет наиболее выгодную с точки зрения термодинамики природную форму: сферу и спираль. В сфере может находиться большое количество микроскопических каналов для насыщения газом. Спираль в данной модели является своеобразным хранилищем газа, которое препятствует свободной десорбции и способствует управляемой десорбции, например по мере нагрева или физического изменения топологии. Материал представляет собой вещество, стойкое к внешним агрессивным воздействиям кислот, щелочей, внешних факторов, таких как температура, давление, радиация, и имеет пористую структуру, обеспечивающую высокую поверхностную площадь, с одной стороны, и достаточную скорость диффузии, с другой стороны, а также обладает рядом отличительных свойств от аналогов, в частности высокой скоростью адсорбции и десорбции, что особенно важно при применении в контейнерах для хранения газа в качестве топливных элементов, что может определять высокую эффективность данных контейнеров в различных областях техники, например как твердотопливный элемент в системах хранения и выделения энергии или при применении в качестве фильтров в различных средах (жидких, газообразных), также материал является экологически чистым, недорогим и легко доступным, отработанные элементы легко поддаются восстановлению и переработке.
Для получения углерода шаровидной формы не требуется дорогостоящего оборудования. Материал не содержит редких и драгоценных металлов в своем составе, что обуславливает его экономическую выгоду и содержит в своем составе в основном только углерод, что обуславливает его экологичность.
1. Способ получения аккумулирующего материала для насыщения атомарными веществами и/или молекулярными веществами, характеризующийся тем, что выделяют из высокопрочного чугуна шаровидный графит путем травления чугуна в смеси концентрированных азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1:3 по объему, с последующей сепарацией путем просева через столб сит на вибромашине, отбирая глобулы в диапазоне размеров 50-63 мкм в диаметре, затем подвергают очистке от примесей оксидов кремния и железа, полученную массу сепарируют по размерам, очищают путем удаления несвязанных частиц графита с поверхности шаровидного графита, полученный шаровидный графит используют в качестве аккумулирующего материала в необходимом объеме.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что аккумулирующий материал дополнительно подвергают расщеплению путем терморасширения.
3. Аккумулирующий материал для насыщения атомарными и/или молекулярными веществами, характеризующийся тем, что представляет собой шаровидный графит, полученный способом по п.1 или 2, формирующим внутреннюю структуру, состоящую из наноразмерных двумерных спиралеобразно, радиально и аксиально расположенных пластин графита.
