Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Научная статья на тему «Формирование и модификация наноструктур на основе неорганической матрицы»

Нанотехнологии и наноматериалы — сравнительно молодая и перспективная отрасль производства, развитие которой приходится на начало XXI века. Сегодня по всему миру один за другим создаются новые нанотехнологические центры, обладающие мощной материально-технической и финансовой базой.

Для каждой страны встаёт задача — найти своё место в международном разделении труда в этой области, не вступая в конкуренцию на заведомо проигрышных направлениях, уже хорошо развитых в других странах. Наступать по всему фронту исследований бессмысленно — нужно брать за точку опоры прорывные направления внутри этого приоритета, базирующиеся на достижениях отечественных научных школ а также материаильно-технической базы конкретного региона, и сконцентри­роваться на них. Одним из таких направлений для России и Казахстана является нефтепереработка. Оно-то и привлекает внимание глав государств, которые выделяют огромные средства на изучения данных вопросов и внедрение нанотехнологий в современное производство.

К понятию «наноматериалы» обычно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, отличными от того же вещества, не имеющего нанострукту­рированную форму. К нанотехнологиям можно отнести технологии, которые обеспечивают возможность подконтрольно создавать и модифицировать наноматериалы, управлять их сборкой на атомар­ном уровне, а также внедрять в полноценно функционирующие системы более крупного масштаба.

Использование наноматериалов и нанотехнологий в современном производстве позволяет достигать небывалых результатов, повышать производительность труда, улучшать качество продукции и снижать экономические затраты на её производство. Немаловажный плюс применения нанотехнологий безусловно заключается в решении многих экологических проблем, что в настоящее время является одним из важных аспектов на производстве.

Целью данной работы является синтез прекурсоров катализа­торов процесса получения метанола, синтез углеродных нанотрубок из газовой фазы CVD-методом поверх этих катализаторов и изучение морфологии поверхности полученных материалов на растровом электронном микроскопе.

Применение нанотехнологий в производстве катализаторов и сорбентов дает импульс для развития практически всей промышленности, так как более 80 % всех процессов в химической, нефтехимической и других отраслях являются каталитическими.

Последнее десятилетие характеризуется интенсивным ростом производства метанола, причем свыше 80 % освоенной за это время мощности приходится на агрегаты с низкотемпературным катализа­тором. Наибольшее распространение и признание получили низкотемпературные катализаторы, разработанные фирмами IC1 (Великобритания) и Lurgi(ФРГ).

Снижение температуры синтеза метанола способствует повыше­нию равновесных выходов метанола, увеличению селективности процесса и позволяет проводить его при пониженных давлениях. Установлено, что значительного снижения температуры в реакции синтеза метанола можно достичь в присутствии катализаторов на основе меди в композиции ее с цинком и алюминием.

Катализатор фирмы IC1 должен содержать не менее 20 % (масс.) меди и не более 70 % (масс.) цинка, а также еще одни металл II—IV группы, оксид которого трудно восстанавлива­ется. Например, один из рекомендуемых образцов содержит: 53,2 % (масс.) СuО, 27,1 % (масс.) ZnO, 5,5 % (масс.) А12О3 и 14 % (масс.) составляют вещества, удаляемые на стадии прокаливания при 900°С; атомное соотношение компонентов в этом случае составляет Си : Zn : А1 — 60,2 : 30,0 : 9,8.

В лабораторных условиях синтез медного катализатора проводился золь-гель методом.

Золь-гель метод по сравнению с традиционной схемой синтеза веществ обладает упрощенной технологической схемой синтеза. Данный метод позволяет достичь снижения энергозатрат и высокой степени чистоты продуктов на всех стадиях синтеза при минимуме затрат на её достижение. Становится возможным получение данным методом продуктов, которые характеризуются: монофазной кристаллической структурой, обладающей высокой степенью совершенства; строго стехиометрическим составом; отсутствием посторонних фаз.

Методика состоит из трёх основных фаз. Первая фаза золь-гель процесса включает в себя процесс формирования химического состава продукта, который получают в виде высокодисперсного раствора — золя-частиц гидроксидов, размер которых не превышает несколько десятков нм. Увеличение объемной концентрации дисперсной фазы или иное изменение внешних условий (рН, замена растворителя) приводят к интенсивному образованию контактов между частицами и образованию монолитного геля, в котором молекулы растворителя заключены в гибкую, но достаточно устойчивую трехмерную сетку, образованную частицами гидроксидов (вторая стадия). 0,5 М растворы нитратов меди, алюминия и цинка сливают в объёме по 100 мл каждый и добавляют 1 М раствор карбоната натрия до установления pH=7. В течении часа поддерживают температуру золя около 60оС при постоянном перемешивании. Промывают и фильтруют для первичного удаления дисперсионной среды (третья стадия). При удалении дисперсионной появляются прочные фазовые контакты. При высушивании гель превращается в ксерогель — твёрдый тонкопористый материал. В процессе сушки наблюдается заметное уменьшение в объёме, но при этом наноразмеры структурных элементов сохраняются. В итоге масса высушенного прекурсора составила 12 гр.

а)ishodnyi Cu-Al-Zn04 б)ishodnyi Cu-Al-Zn06

Рисунок 1. Исходный медный катализатор.
Шкала сравнения для а) — 10 микрон, для б) — 1 микрон

Восстановление меди проводилось в нанореакторе CN-CVD-100 производства японской фирмы «ULVAC». Для этого прекурсор таблетировали, поместили в качестве подложки и восстанавливали в течении 5 минут в токе H2.

а)CuZnAl+H2-06 б)CuZnAl+H2-08

Рисунок 2. Восстановленный в токе H2 катализатор.
Шкала сравнения для а) — 1 микрон, для б) — 100 нанометров

Сравнивая рис. 1 а) с рис. 2 б) видно, что в ходе восстановления образуются частицы элементарной меди размером в десяток раз меньше, что повышает удельную площадь соприкосновения реагирующих с катализатором веществ.

Восстановленный катализатор снова поместили в нанореактор и в течении 27 минут проводили синтез углеродных нанотрубок.

Углеродны нанотрубки (УНТ) — это протяжённые цилиндри­ческие структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Нужна помощь в написании статьи?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правиль­ными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.

Изучена морфология поверхности полученных углеродных нанотрубок (рис. 3) на основе неорганической матрицы медного катализатора синтеза метанола. Удельная площадь соприкосновения и сорбции увеличивается в несколько десятков раз, что положительно сказывается на работе данного катализатора, уменьшает его расход и снижает температуру процесса.

Cu-Zn-Al-UNT-27m-04           Cu-Zn-Al-UNT-27m-09

Cu-Zn-Al-UNT-27m-07

Рисунок 3. Морфология поверхности системы медный катализатор + УНТ

Список литературы:

Балабанов И.В. Нанотехнологии наука будущего. — М.: Эксмо, 2009. — 236 с.

Балоян Б.М. НАНОМАТЕРИАЛЫ. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения. — М., 2007. — 125 с.

Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 456 с. — ISBN 978-5-9221-1120-1.

Караваев М.М.Технология синтетического метанола. — М.: Химия, 1984. — 239 с.

Князев А.В., Кузнецова Н.Ю. НАНОХИМИЯ. Электронное учебное пособие. — Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. — 102 с.

Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс]. —URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки (дата обращения: 05.11.12)

Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, нанострук­тур и наноматериалов. — М.: КомКнига, 2006. — 592 с.

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Поставьте оценку первым.

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

523

Закажите такую же работу

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке