Способ синтеза композитного углеродного материала с наночастицами металла с переносом части их электронной плотности в углеродную матрицу

Изобретение может быть использовано в химической и металлургической промышленности, а также в энергетике. Сначала на поверхность и в объем пор углеродного материала, используемого в качестве матрицы, наносят соль металла из раствора. Затем восстанавливают ионы металла при непрерывном контроле состояния ионов металла и углеродной матрицы по данным спектроскопии in situ электронного парамагнитного резонанса, или диэлектрической спектроскопии, или проводимости матрицы. Восстановление завершают при скачкообразном изменении проводимости углеродной матрицы, энергии сорбции, скорости диффузии молекул газа в порах материала, фактора спектроскопического расщепления (g-фактора) спектра ЭПР, времени релаксации резонансных переходов неспаренных электронов. Получают композитный углеродный материал с наночастицами металлов в нем. Техническим результатом является резкое увеличение проводимости, теплопроводности, появление ферромагнитных свойств. 1 з.п. ф-лы.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способам управления электронной структурой углеродных материалов с помощью создания обменно связанных электронов наночастиц металла с электронами системы полисопряженных связей углеродного материала. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу синтеза углеродного материала с наночастицами металлов в нем с переносом части их электронной плотности в углеродную матрицу. Изобретение может быть использовано в химической, металлургической, в других отраслях промышленности, в энергетике, связанных с использованием наномодифированных металлами углеродных материалов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения углеродных, металлических и металлоуглеродных наночастиц, раскрытый в RU 2005121234 А, опубл. 20.01.2007. Известный способ включает процесс приготовления реакционной смеси, проведение процесса синтеза наночастиц под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, включающий процесс конденсации и роста наночастиц, отличающийся тем, что в качестве исходных веществ для приготовления реакционной смеси используются реагенты в газовой фазе, в частности летучие углерод- и/или металлсодержащие соединения и газ-разбавитель, при этом процесс синтеза наночастиц под воздействием УФ излучения проводят до получения пресыщенного углерод и/или металлического пара с последующей его конденсацией.

Недостатками известного способа являются: невозможность устойчивого воспроизводимого синтеза углеродных материалов с заданными электронообменными свойствами, высокая энергоемкость, проблемность реализации в промышленных масштабах, широкий разброс синтезируемых частиц по размерам и свойствам, их агрегация, сложность прямого использования получаемого ультрадисперсного материала в технологических процессах.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является US 2006/0116443 А1, опубл. 01.06.2006. В аналоге раскрыт способ получения металлосодержащего углеродного материала, включающий пропитку технического углерода соединениями необходимого металлического компонента, сушку пропитанного углеродного материала и восстановление соединений металлов для формирования заданного состава материала, включающего в себя углерод в виде сажи, графита или углеродный материал иной структуры, и металлический компонент, при необходимости в комбинации с одним или несколькими другими металлами.

Недостатком аналога являются: невозможность устойчивого воспроизводимого синтеза углеродных частиц с заданными электронообменными свойствами, широкий разброс частиц металлов по размерам и свойствам, использование высоких концентраций металлов в углеродной матрице, обеспечивающих формирование крупных частиц, исключающих электронный обмен с углеродной матрицей с переносом в нее части электронной плотности с металла.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является обеспечение устойчивого воспроизводимого синтеза функциональных углеродных материалов с заданными электрообменными свойствами, обеспечивающими электронный обмен металла с углеродной матрицей с переносом в нее части электронной плотности с металла, с высокими потребительскими характеристиками, в том числе адсорбентов с молекулярно-ситовыми свойствами. Задача решается путем формирования в порах, на поверхности наночастиц металлов со свойствами, обеспечивающими перенос части электронной плотности их электронов проводимости в углеродную матрицу.

Техническим результатом заявленного изобретения является резкое увеличение проводимости, теплопроводности материалов, появление парамагнитных свойств, в частности, повышение адсорбционной активности углеродных сорбентов при введении незначительной концентрации металлов переменной валентности в углеродную матрицу.

Указанный технический результат достигается путем синтеза композитного углеродного материала, включающего следующие стадии:

- пропитку углеродного материала раствором солей металлов;

- восстановление ионов до металла водородом или иным известным способом при непрерывном контроле ионного состояния металла, до скачкообразного изменения свойств углеродной матрицы - магнитных и/или электрофизических, и/или электронообменных.

В качестве углеродных материалов могут быть использованы углеродные наночастицы, сорбенты, молекулярные сита, волокна, ткани, композиты, технический углерод, кокс, электродный материал.

В качестве растворов солей металлов возможно применять растворы солей меди никеля, железа, платины, палладия, других металлов, в том числе переменной валентности.

Изменение магнитных свойств углеродных материалов определяли по данным спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Изменение электрофизических свойств контролировали по проводимости углеродной матрицы, и/или поглощению/отражению высокочастотного или сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Изменение электроннообменных свойств фиксировали по скорости диффузии молекул газа на поверхности и в порах углеродного материала, при стабильных геометрических характеристиках поверхности и пор.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ синтеза композитного углеродного сорбционного материала осуществляют следующим образом.

Пропитывают углеродный материал раствором соли/солей металлов (меди, никеля, железа, платины, палладия, других). В качестве углеродных материалов применяют углеродные наночастицы, сорбенты, молекулярные сита, волокна, ткани, композиты, технический углерод, кокс, электродный материал. В подготовленном углеродном материале восстанавливают ионы металлов в условиях, обеспечивающих формирование наночастиц металлов определенного размера и состояния, обеспечивающего перенос части электронной плотности с металла в углеродную матрицу. При этом непрерывно контролируют состояние металла и/или углеродной матрицы. В микрореакторе контроль возможен по данным спектроскопии ЭПР, диэлектрической спектроскопии, диффузионно-кинетическим характеристикам углеродного материала. В макрореакторе периодического или непрерывного действия состояние и превращения композита углеродной матрицы и частиц металла контролируют по проводимости материала, по поглощению/отражению высокочастотного или сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Превращение металла в углеродном материале осуществляют до скачкообразного изменения свойств углеродной матрицы. Его фиксируют по данным о проводимости углеродной матрицы, и/или скорости диффузии молекул газа в порах материала, и/или отражения/поглощения электромагнитного излучения, и/или фактора

спектроскопического расщепления (g-фактора), и/или времени релаксации резонансных переходов неспареных электронов углеродной матрицы - по данным ЭПР спектроскопии.

Как показали эксперименты, формирование в порах, на поверхности углеродного материала наночастиц металла с переносом части их электронной плотности в углеродную матрицу, сопровождающееся скачкообразным изменением электроннообменных свойств углеродного молекулярного сита, обеспечивает, в частности, изменение формы сорбции монооксида углерода при комнатной температуре с физической в хемосорбцию. При некотором повышении температуры сорбента монооксид углерода переходит в состояние физической сорбции, и сорбент регенерируется. Таким образом, использование наномодифицированного предлагаемым способом углеродного молекулярно-ситового материала позволяет обеспечить возможность получения сверхчистого водорода из смеси его с монооксидом углерода в синтезгазе с помощью энергоэффективного короткоциклового способа с нагревной регенерацией.

1. Способ синтеза композитного углеродного материала с наночастицами металлов в нем, включающий:

- нанесение соединения металла - соли на поверхность и в объем пор углеродного материала из раствора,

- последующее восстановление ионов металла,

- осуществление восстановления при непрерывном контроле состояния ионов металла и углеродной матрицы по данным спектроскопии in situ электронного парамагнитного резонанса, или диэлектрической спектроскопии, или проводимости матрицы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что восстановление завершают при проявлении переноса части электронной плотности наночастиц металла в углеродную матрицу, сопровождающегося скачкообразным изменением ее свойств - проводимости углеродной матрицы, энергии сорбции, скорости диффузии молекул газа в порах материала, фактора спектроскопического расщепления (g-фактора) спектра ЭПР, времени релаксации резонансных переходов неспаренных электронов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов. Согласно способу проводят прессование волокнистого полимерного материала с высоким коксовым остатком и его карбонизацию неокислительным отжигом.

Изобретение относится к области получения углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и изготовления изделий из них, в частности УУКМ на основе дискретных по длине армирующих углеродных волокон и коксопироуглеродной матрицы.

Изобретение относится к области получения углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и изготовления изделий из них, в частности УУКМ на основе дискретных по длине армирующих углеродных волокон и коксопироуглеродной матрицы.

Изобретение относится к области шумозащитных панелей и касается способа изготовления керамической шумозащитной панели изогнутой формы. Способ включает следующие операции: пропитку волоконной структуры, определяющей сотовую структуру, смолой-прекурсором керамики; полимеризацию смолы-прекурсора керамики при удержании волоконной структуры на устройстве, форма которого соответствует изогнутой форме окончательно получаемой сотовой структуры; прикрепление к сотовой структуре первой и второй обшивок; каждая из обшивок представляет собой волоконную структуру, пропитанную смолой-прекурсором керамики, и обе обшивки прикрепляются к указанной сотовой структуре до или после полимеризации смолы указанных обшивок; пиролизацию собранного узла, включающего в себя сотовую структуру с первой и второй обшивками; и уплотнение указанного узла посредством химической инфильтрации в паровой фазе.

Изобретение может быть использовано при изготовлении герметичных изделий, предназначенных для работы под избыточным давлением при высоких температурах и воздействии окислительной среды при её одностороннем или двустороннем доступе к изделию.

Изобретение относится к формованному огнеупорному керамическому изделию, содержащему природный графит. Формованное огнестойкое изделие на основе гранулята огнестойкого материала содержит гранулы, скреплены с помощью известного связующего и/или керамической связки, а также гомогенную смесь из по меньшей мере двух видов графита с разными коэффициентами теплового расширения, при этом один вид графита преобладает количественно, а другой вид графита выполняет функцию дополнительного вида графита.

Изобретение относится к области углеродных композиционных материалов и может быть использовано в ракетно-космической технике. Углерод-углеродный композиционный материал содержит пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу и углеродный наполнитель слоистой или слоисто-прошивной структуры на основе ткани, получаемой ткачеством высокомодульных углеродных волокон при их однослойном переплетении, и прошивной нити или без таковой.

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов и может быть применено в авиационной, ракетно-космической и железнодорожной промышленности, в двигателестроении и энергетическом машиностроении.
Изобретение относится к защитным противоокислительным покрытиям для углеродных и углерод-керамических материалов. Технический результат – повышение окислительной стойкости покрытия.
Огнеупорный материал для футеровки доменной печи получают способом, включающим следующие стадии: a) изготовление смеси, содержащей кокс, кремний и связующий материал, b) формование необожженного блока из смеси, изготовленной на стадии (a), c) обжиг необожженного блока, изготовленного на стадии (b) и d) частичная графитизация обожженного блока, изготовленного на стадии (с), при температуре от 1600 до 2000°C.

Изобретение относится к технологиям получения водорода из твердой водородгенерирующей композиции, к способам ее приготовления методом прессования, к способу газогенерации.
Изобретение может быть использовано при получении абразивных материалов. Нефтяной кокс перед укладкой керна в печь сопротивления пропитывают водным раствором поваренной соли, создавая влажность нефтяного кокса 5-15 мас.
Изобретение относится к химической технологии волокнистых материалов и касается графенсодержащего вискозного волокна и способа его получения. Способ получения включает введение графена в вискозу перед прядением, причем графен представляет собой неокисленный графен и состоит не более чем из 10 слоев.

Изобретение относится к области нанотехнологий. Установка рулонного типа для синтеза графена включает блок подготовки газовой смеси 5, блок откачки 6, вакуумную рабочую камеру 1 с подогреваемым щелевым соплом 2, на выходе из которого реализуется ламинарное течение, перфорированную по краям ленточную металлическую подложку 3, систему нагрева-охлаждения 4 с контуром водяного охлаждения и нагревателем, систему перемещения подложки с прижимными роликами и зубчатыми колесами, приводимыми в движение шаговым двигателем 7 с механизмом реверса.

Изобретение относится к модернизации установок для получения аммиака, в частности изобретение включает модернизацию паровой системы установки для получения аммиака, снабженной паровой системой.

Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к области получения новых углеродных материалов и раскрывает способ механического переноса графена, полученного методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) на меди, на полимерные материалы.

Изобретение относится к области обработки воды. Способ обработки воды посредством фильтрации на слое гранулированного материала содержит этапы, на которых предназначенную для обработки воду перекачивают в реакторе восходящим потоком со скоростью, не допускающей псевдоожижения указанного слоя, но позволяющей указанному гранулированному материалу перемещаться по мере фильтрации в направлении нижней части указанного реактора; в основании реактора при помощи трубопровода, в который нагнетают газ, непрерывно отбирают загрязненный гранулированный материал, содержащий адсорбированные на нем загрязнители и задержанные частицы; отбираемый загрязненный гранулированный материал непрерывно или периодически подвергают физической очистке; очищенный гранулированный материал направляют обратно в указанный слой.

Предлагаемое изобретение относится к способам получения легированных углеродных нанотрубок, в частности легированных йодом нанотрубок, используемых в качестве наполнителей при получении полиимидов и композитов, применяемых в микроэлектронике.

Изобретение относится к способу обработки материала на основе лигнина. Способ включает обработку лигнина, извлеченного из лигноцеллюлозного сырья способом гидротермальной карбонизации при повышенной температуре, в результате чего получают карбонизированный лигнин с повышенным содержанием углерода, и стабилизацию полученного карбонизированного лигнина в инертной атмосфере при температуре проведения стабилизации, которая превышает температуру осуществления способа гидротермальной карбонизации.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения порошка на основе карбида титана включает генерацию дугового разряда постоянного тока в газообразной среде между цилиндрическими графитовыми анодом и катодом.

Изобретение относится к области углеродных материалов и может быть использовано в электронной промышленности. Углеродные одномерные углеродные структуры фотонного типа получают пиролизом этанола при температуре 500-800°C с термоградиентом 50-100°С под давлением 1000-4000 атм в присутствии платинового катализатора в течение 72 ч и микрокристаллов алмаза в количесвте 9·10-6 об.%.

Изобретение может быть использовано в химической и металлургической промышленности, а также в энергетике. Сначала на поверхность и в объем пор углеродного материала, используемого в качестве матрицы, наносят соль металла из раствора. Затем восстанавливают ионы металла при непрерывном контроле состояния ионов металла и углеродной матрицы по данным спектроскопии in situ электронного парамагнитного резонанса, или диэлектрической спектроскопии, или проводимости матрицы. Восстановление завершают при скачкообразном изменении проводимости углеродной матрицы, энергии сорбции, скорости диффузии молекул газа в порах материала, фактора спектроскопического расщепления спектра ЭПР, времени релаксации резонансных переходов неспаренных электронов. Получают композитный углеродный материал с наночастицами металлов в нем. Техническим результатом является резкое увеличение проводимости, теплопроводности, появление ферромагнитных свойств. 1 з.п. ф-лы.

Наверх