Қазақстан Республикасының білім жəне ғылым министрлігі
жүктеу/скачать 31,15 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
- З.А. Мансуров
- Ключевые слова
- Исследование свойств и морфологии аэрогелей
Заключение Таким образом, синтезированы полиоксидные катализаторы для конверсии метана в синтез-газ и этилен. Определено, что оксидный никелевый катализатор модифицированный оксидом молибдена ( 3 % NiО - 1 % MoО 3 /Al 2 O 3 ) является активным в процессах парциального, углекислотного и парового риформинга метана в синтез-газ. Установлено, что варьируя состав исходных реагентов в смесях (СН 4 : СО 2 ;
СН 4 : О 2 и СН
4
: Н 2 О) можно получать синтез-газ с разным соотношением Н 2 к СО. Определен эффективный состав модифицированных катализаторов для конверсии метана в этилен. При Тр-750 о С на катализаторе 5%ГПК+1%K 2 O/Al
2 O 3 селективность по этилену составляет 29%, на 5%CuOCr 2 O
/Al 2 O 3 - 18%.
Список литературы
1 Nishimo H.A., Nakagawa K., Ikenaga N.O., Nishitani-Gamo M., Ando T., Suziki T. Partial oxidation of methane to synthesis gas over oxidized diamond catalysts // Appl Catal A: General – 2004. - Vol. 264. - P. 65-72. 2
Gyulmaliev A.M. Oxidation of Methane over Polyoxide Catalysts // Coke and Chemistry. – 2015. - Vol. 58. – P. 178–183. 3
Promoted NiO catalysts for the oxidative dehydrogenationof ethane // Top Catal. – 2014. - Vol. 57. - P. 1248–1255. 4
Fraga, Eduardo Falabella Sousa-Aguiar, Pedro Augusto Arroyo. Effect of silylation and pupport porosity of Co/MCM-41and Co/SiO 2 catalysts in Fischer–Tropsch synthesis // Top Catal. – 2016. - Vol. 59. - P. 219–229. 5
Marm Dixit, Aparna Menon, Renika Baruah, Atul Bhargav, Sudhan shu Sharm. Oxidative activation of methane on lanthanum oxideand nickel-lanthanum oxide catalysts // Reac Kinet Mech Cat. – 2015. - Vol. 115. - P. 611–624. 6
Кордон М.Я., Ананьев В. М., Вершинин Н. Н., Гравшенкова Е. О., Костиневич В. В., Семченко Т. К., Ивлиева И. А. Концепция оптимизации процесса прямого окисления метаносодержащих газов кислородом воздуха // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». – 2011. – Т. 2. – С. 1-8.
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
35 УДК 620.3 З.А. Мансуров Институт проблем горения, Алматы, Казахстан Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан
zmansurov@kaznu.kz Новые перспективные наноматериалы и нанотехнологии
В данной статье рассматриваются некоторые разработки Института Проблем Горения. Гидрофобные губки покрывали углеродными наноматериалами. Полученные гидрофобные губки на основе полиуретана и меламина покрывали углеродными наноматериалами, данные губки отлично выступают в качестве водостойких сорбентов для нефти, нефтепродуктов и других органических жидкостей. Было установлено, что полученные губки активно сорбируют органические жидкости различной плотности. Смарт-текстиль был получен путем синтеза многослойных углеродных нанотрубок на катализаторе на основе стеклоткани с наночастицами оксида кобальта. Также был создан макет солдата с подогреваемым жилетом на основе электропроводящей смарт-текстиля. Полученная электропроводящая ткань на основе стеклоткани с углеродными нанотрубками показала хорошие электропроводящие свойства и эффективный джоулев нагрев при наложенного электрического тока. Было проведено исследование и разработка наноструктурированных углеродных материалов, а также рассматривалось их использование в качестве высокоэффективных активных компонентов для
усовершенствованных энергоаккумулирующих систем, в частности для конденсаторов с двойным электрическим слоем. Были разработаны и синтезированы двумерные гетероструктуры (2D) на основе графена и дихалькогенидов переходных металлов. Отдельно расположенные монокристаллы и эпитаксиальный графен на медной фольге были синтезировали CVD методом. Двумерные слои WS 2 синтезировали, используя сульфирование тонких пленок WO 3 , нанесенных с помощью метода термического испарения на подложке FTO. Были описаны эксперименты по определению времени схватывания бетонной массы, которую можно было бы использовать в качестве строительного материала для технологии 3D - принтинга. Использование хлорида кальция уменьшает время схватывания до 10 минут, что является достаточным, чтобы использовать такой состав для строительства зданий с использованием 3D-технологии.
гетероструктуры (2D), 3D–принтинг
Первый образец аэрогеля на основе углерода был получен в 1989 году (проф Pekala) путем карбонизации резорцино-формальдегидного (RF) аэрогеля. В свою очередь, обычно он рассматривается как некий вид высокопористого аморфного пенографита. Основная идея получения резорцин – формальдегидного (RF) аэрогелия заключается в высокотемпературном пиролизе резорцин-формальдегида (1000-1200 °C) при высоком давлении или в атмосфере инертного газа. В 1996 году, проф. Hanzawa и др. разработали новый подход для получения карбонизованного резорцин – формальдегидного (RF) аэрогеля, который характеризуется сверхвысокой площадью поверхности посредством активации его углеродного скелета с использованием диоксида углерода [1].
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
36 Аэрогели синтезировали путем гомогенизации углеродных нанотрубок, и хитозана при ультразвуковой обработке, а также при помощи активного магнитного перемешивания, с последующей сублимационной сушкой, для того, чтобы удалить жидкость из его состава. После сублимационной сушки, которая длилась в течение 20 ч, полученные аэрогели карбонизировали при температуре 800°С в инертной атмосфере. Морфология поверхности полученных аэрогелей была изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии. Также были изучены гидрофобность и сорбционная способность этих
аэрогелей по
отношению к органическим жидкостям, характеризующиеся различными плотностями. Ткань с элементами ИИ (интеллектуальная ткань) была получена путем синтеза многослойных углеродных нанотрубок на катализаторе на основе стеклоткани с наночастицами оксида кобальта. Для покрытия наночастиц оксида кобальта на поверхности стеклоткани, использовали эффективный solution combustion метод. Структура и морфология углеродных нанотрубок и катализатора на основе стеклоткани с Co 3 O 4 были исследованы с помощью рентген-дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (TEM-ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (SEM- СЭМ).
Наноструктурированные углеродные материалы являются и используются как высокоэффективные активные компоненты для электродов, усовершенствованных энергоаккумулирующих систем, в частности для конденсаторов с двойным электрическим слоем, задействованы в мощных электрических устройствах, которые предназначены для различных приложений, включая запуск силовых установок, ветровых турбин и электрических подстанций. Каменный уголь и нефтяной пек являются основными источниками сырья для производства активированного углерода, также отработанная биомасса может с успехом использоваться в качестве углеродсодержащих прекурсоров. Основные факторы, определяющие выбор углеродных прекурсоров это доступное количество, ценность и затраты, необходимые для придания этому материалу соответствующих функциональных возможностей. Качество полученного активированного углерода зависит от природы прекурсора и условий термических и окислительных процессов, которые происходят во время карбонизации и активации материала биомассы. Новые двумерные (2D) оптоэлектронные датчики и многие другие устройства могут быть созданы посредством объединения различных двумерных материалов в гетероструктуры с уникальными характеристиками [ i , ii ]. Тем не менее, контролируемый синтез графена и сопутствующих материалов, а также создание двумерных гетероструктур на их основе остается сложной задачей, поэтому разработка новых методов является актуальной областью исследования. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) считается наиболее эффективным методом для синтеза графена и многих других двумерных 2D материалов. Тем не менее, структуры, выращенные при CVD методе, в основном, имеют поликристаллические характеристики. Электрические характеристики устройств с расположены на определенном расстоянии от границ кристаллов (зерен) примыкают, неся негативное воздействие для границ зерен. Таким образом, разработка методов синтеза отдельных двумерных кристаллов и гетероструктур на их основе является важной задачей в области двумерных устройств различного назначения. Технология 3D-принтинг развивается быстро, завоевывает мир, и эта настоящая технологическая революция происходит на наших глазах. Метод создания слоистого объекта на основе объемной 3D модели широко используется в области машиностроения, электронике и медицине. Производство объемного метода печати протезных рук, черепа и других частей человеческого тела не вызывает никаких сомнений, но вот использование такой технологии для строительства стоит под большим вопросом. Behrokh Khoshnevis – ведущий разработчик проекта «Контурное Изготовление» стал одним из первых, кто ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
37 заявил о возможности применения такой технологии. Идея, предложенная профессором из Университета Южной Калифорнии, состоит в следующем: на предварительно расчищенной местности устанавливается большой 3D-принтер, напоминающий Портовый кран. Строительство дома начинается с фундамента. Для этой цели, оператор установки дает соответствующую команду механизму, а рабочие должны обеспечивать бесперебойную подачу бетона с определенной влажностью и быстрым затвердеванием. 3D-принтер для строительства имеет сопло или экструдер, который выдавливает быстротвердеющую смесь.
Аэрогели - класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. В виду огромного многообразия аэрогелей, более интересными для дальнейшего изучения являются аэрогели на основе углеродных наноматериалов, благодаря своим уникальным свойствам Данные материалы обладают рекордно низкими значениями плотности низкой теплопроводности, высокой эластичности (способность восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений) и способностью сорбировать огромные количества органических жидкостей. Последнее свойство может найти применение для ликвидации разливов нефти. Первый углеродный аэрогель был синтезирован в начале 1990-х годов [1]. Большое количество исследований посвящено исследованию процесса синтеза легковесных, гибких и пористых аэрогелей на основе углеродных наноматериалов. Интересным является исследование влияния типа углеродных наноматериалов, используемых при синтезе данных трехмерных структур на его физико-химические свойства. В работе аэрогели были получены гомогенизацией многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и хитозана путем ультразвуковой обработки м последующим активным перемешиванием на магнитной мешалке, после чего гомогенная смесь разливалась по емкостям, замораживалась и подвергалась сублимационной сушке для удаления жидкости. По окончанию сублимационной сушки, которой в среднем длится до 20 часов, полученные аэрогели были карбонизованы при температуре 800 °C в инертной среде. Карбонизованный хитозан обладает гидрофобными свойствами, угол смачивания его поверхности каплей воды составляет 109º, однако степень его гидрофобности недостаточна для использования его в качестве водоотталкивающего агента. Использование углеродных наноматериалов в качестве добавок, которые способны усилить гидрофобность всей поверхности является одним из путей создания супергидрофобных поверхностей. В работе получены трехмерные губчатые материалы с высокой сорбционной емкостью по отношению к органическим жидкостям. Наличие МУНТ на поверхности каркаса аэрогеля, сформированного хитозаном, определенно усиливает гидрофобность поверхности всего аэрогеля. Было установлено, что полученные образцы композитных аэрогелей обладают супергидрофобными свойствами, угол смачивания поверхности композитного аэрогеля каплей воды составляет свыше 165º. Для исследования гидрофобности и объяснения способности данных аэрогелей сорбировать органические жидкости была изучена морфология их поверхности методом сканирующей электронной микроскопии. В первую очередь снимали СЭМ снимки поверхности аэрогелей на основе МУНТ и хитозана, без добавок графена с целью исследования влияние добавок восстановленного Microwave Enhanced Chemical Vapor Deposition (MECVD) графена на морфологию поверхности образцов. Из снимков сканирующей электронной микроскопии аэрогелей на основе МУНТ и хитозана видно, что поверхность аэрогелей представляет собой систему макропор, размеры которых варьируются от нескольких десятков до сотни микрометров. МУНТ со ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
38 средним внешним диаметром в 20-30 нм локализованы на поверхности карбонизованного хитозанового каркаса, тем самым формируя микродефекты и поры. Данное расположение МУНТ может служить объяснением супергидрофобности полученных аэрогелей Для дальнейшего изучения влияния исходных веществ на структуру и механические свойства получаемых композитных аэрогелей была предпринята попытка получения композитного аэрогеля на основе восстановленного графена MECVD, МУНТ и хитозана. В качестве восстановленного графена применялись однородные графеновые нано- чешуйки, толщиной в два слоя, без содержания функциональных групп на своей поверхности. Данные графеновые нано-чешуйки были получены методом химического парового осаждения с использованием микроволновой плазмы в качестве дополнительного источника энергии на неметаллической подложке (Microwave Enhanced Chemical Vapor Deposition). Удельная площадь поверхности полученных графеновых нано пластин составляет 2041 м 2 /гр.
Исследование гидрофобности полученных композитных аэрогелей показало, что при наличии восстановленного MECVD графена в структуре композитного аэрогеля, угол смачивания его поверхности каплей воды не снизился, а даже немного увеличился по сравнению с композитными аэрогелями на основе МУНТ и хитозана без графена, что говорит о супергидрофобности синтезированных аэрогелей (угол смачивания 168º).
Рисунок 1 - Фотография капли воды на поверхности композитного аэрогеля на основе восстановленного MECVD графена, МУНТ и хитозана с обозначенным углом смачивания
Исследование механических свойств композитных аэрогелей на основе восстановленного MECVD графена, МУНТ и хитозана показало, что при наличии восстановленного MECVD графена в структуре образца значительно усиливается его механическая жесткость и устойчивость к нагрузкам. Композитный аэрогель на основе восстановленного MECVD графена, МУНТ и хитозана весом 0,09 г способен удержать на себе вес в 110 раз превышающий свой - гирю весом 10 г. Однако аэрогель на основе МУНТ и хитозана с таким же весом, без добавок графена, разрушается при данной нагрузке. Так же было установлено, что аэрогели на основе восстановленного MECVD графена, МУНТ и хитозана, в отличии от аэрогелей на основе восстановленного оксида графена не обладают способностью восстанавливать первоначальную форму после механического сжатия, что обусловлено формированием жесткого каркаса при карбонизации хитозана Поверхность аэрогеля представлена более развитой системой пор, что отличается от поверхности аэрогеля на основе МУНТ и хитозана. Так же немаловажным фактом является то, что наличие графена влияет и на средний размер пор, который значительно уменьшился от нескольких микрометров до десятка. Видно, что слои графена вертикально локализованы на поверхности карбонизованного хитозана, тем самым формируя поры меньшего размера – нано-поры. Восстановленный MECVD графен в структуре аэрогелей на основе МУНТ и хитозана так же благоприятно сказывается на их сорбирующие свойства. Из таблицы
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
39 видно, что при соотношении МУНТ к восстановленному MECVD графену 1:5, 1 г композитного аэрогеля способен сорбировать до 101,3 г дизельного топлива. Все значения сорбционной емкости композитных аэрогелей с восстановленным MECVD графеном по отношению к органическим жидкостям значительно выше по сравнению с показателями аэрогелей на основе МУНТ и хитозана (таблица 1).
аэрогелями на основе восстановленного MECVD графена, МУНТ и хитозана (в пересчете на 1 г аэрогеля)
Тип аэрогеля (соотношен ие УНТ к графену) Средняя масса адсорбированной органической жидкости, г н-гексан н-октан бензин
дизтопливо моторное масло 1:1
30,2 59,3
43,2 90,2
87,8 1:2
32,1 59,2
44,4 91,3
88,4 1:5
36,2 64,1
48,7 101,3
99,3 1:10
, 35.9
62,1 48,5
100,9 99,4
В целом, полученные композитные аэрогели на основе МУНТ и хитозана являются пористыми, супергидрофобными сорбентами с высокой сорбционной емкостью по отношению к органическим жидкостям различных плотностей. Было установлено, что композитные аэрогели на основе восстановленного MECVD графена, МУНТ и хитозана проявляют более
сильную механическую устойчивость к внешним нагрузкам, по сравнению с аэрогелями на основе МУНТ и хитозана. Наличие графена улучшает общую пористость системы и увеличивает сорбционную емкость образцов. Изученные свойства аэрогелей создают возможность их потенциального применения в качестве водоотталкивающих регенерируемых сорбентов для нефтей, нефтепродуктов и других органических жидкостей. Суть процесса получения гидрофобных спонжей заключается в покрытии стенок губки, которая характеризуется определенной морфологией поверхности и пористостью, слоями графена или рядами углеродных нанотрубок, что придает ей гидрофобность. Для покрытия стенок губок использовался метод «погружного покрытия» («dip-coating» method). Предварительно очищенный посредством ультразвуковой обработки спонж помещался в дисперсию углеродных нанотрубок в этилацетате, выдерживался в ней Рисунок 2 - Иллюстрация процесса сорбции хлороформа, окрашенного суданом, спонжем, покрытым углеродными нанотрубками под водой ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
40 определенное количество времени, после чего вынимался и высушивался до постоянной массы. Так как спонж сам по себе лиофильный, т.е. активно сорбирует как органические жидкости, так и воду, по мере впитывания этилацетата, углеродные нанотрубки так же осаждались и накапливались в его структуре. Данное действие проводилось n-ное количество раз с постоянным замером массы высушенного образца для определения степени загрузки углеродных нанотрубок в структуру спонжа.
На рисунке 2 представлена раскадровка видеосъемки сорбции окрашенного «Суданом» пятна хлороформа, плотность которого выше плотности воды, в связи с чем он погружается на дно. Из рисунка 2 b видно, что гидрофобный спонж практически полностью отталкивает воду в виду образования захваченных частиц воздуха на его поверхности, при этом активно сорбирует пятно хлороформа на дне стакана (рисунок 2 c, d). Время сорбции данного пятна хлороформа составляет 5 секунд.
жүктеу/скачать 31,15 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|