Нитчатый углерод

Нитчатый углерод представляет собой углеродсодержащую отложенную структуру, которая относится к нескольким аллотропам углерода , включая углеродные нанотрубки , углеродные нановолокна и микроспирали . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Он образуется из газообразных соединений углерода . ^{[ 1 ]} Все нитевидные углеродные структуры содержат металлические частицы. Это железо , кобальт , никель или их сплавы. Его отложения также существенно нарушают процесс метанирования синтез-газа . ^{[ 4 ]} Ацетилен участвует в ряде способов получения нитевидного углерода. Структуры нитевидного углерода мезопористые и имеют размеры микрометра. Большинство реакций, образующих структуры, происходят при температуре 280 ° C (536 ° F) или выше.

Нитевидный углерод применяется для очистки разливов сырой нефти и создания прочных и легких композитов. Нитчатый углерод также имеет термодинамические свойства, значительно отличающиеся от графита , другой формы углерода. Однако нитевидный углерод частично состоит из листов графита.

Характеристики

Нитевидные углеродные структуры обычно имеют диаметр от 10 до 500 нанометров. Обычно их длина составляет 10 000 нанометров (10 микрометров). Они имеют дуплексную структуру. Внешняя часть структур трудно окисляется , но ядро окисляется легче. Металлическая частица обычно располагается на растущем конце структуры, хотя иногда ее можно обнаружить и в ее середине. Кроме того, из одной металлической частицы иногда может вырасти более одной нити. Нитчатый углерод бывает спиральным , прямым или скрученным . ^{[ 1 ]} Он содержит графитовые слои конической формы. ^{[ 2 ]} Плоскости графита, расположенные вблизи границы между атомами углерода и никеля в нити, параллельны границе раздела. Нити также могут быть полыми. ^{[ 5 ]}

Нитчатый углерод обладает термодинамическими свойствами, отличными от свойств графита . Частично это связано с тем, что структура нитевидного углерода более неупорядочена, чем структура графита. Другие теории о разнице в свойствах включают, что отклонение основано на образовании промежуточной фазы карбидов . Эта теория была предложена Де Боксом и др. и Мэннинг и др. . Однако маловероятно, что центральным атомом металла является никель, поскольку в этом случае, поскольку карбиды разлагаются при 350 ° C (662 ° F), в ходе такой реакции образование карбидов не наблюдалось. ^{[ 2 ]}

Разница между растворимостью металла и нитевидного углерода также позволяет диффузии углерода . происходить ^{[ 2 ]} Когда аллотроп вступает в реакцию газификации реакции при температуре ниже 600 ° C (1112 ° F), энергия активации составляет примерно 178 килоджоулей на моль . ^{[ 4 ]}

Нитчатый углерод мезопорист и обладает необычными текстурными свойствами. ^{[ 6 ]} Он также обладает парамагнитными свойствами. ^{[ 7 ]} Он также имеет высокий уровень механической прочности . ^{[ 8 ]}

Частицы никеля, расположенные в нитевидном углероде, выращенном в метане и газообразном водороде при температуре от 490 °C (914 °F) до 590 °C (1094 °F), имеют тенденцию иметь грушевидную форму в верхнем конце температурного диапазона. При более высоких температурах металлическая частица деформируется. Длина конической структуры нитей также увеличивается с температурой. Когда катализатор из меди и кремнезема подвергался воздействию метана и водорода при температуре 927 ° C (1701 ° F), образовывались полые длинные нитевидные углеродные структуры, которые также содержали капли металла. ^{[ 9 ]}

Биологические свойства

Когда фермент глюкоамилаза располагается на керамической поверхности, покрытой нитевидным углеродом, стабильность фермента резко возрастает. ^{[ 10 ]}

возникновение

Нитчатый углерод обычно образуется на металлах, включая железо , кобальт и никель . ^{[ 1 ]} Водород также необходим для образования нитевидного углерода. ^{[ 9 ]} Однако они образуются и на сплавах этих металлов. ^{[ 6 ]} Железо является лучшим материалом для образования нитевидного углерода, чем никель. ^{[ 8 ]} Например, в присутствии метанола при давлении 7 кПа и температуре 500 °C (932 °F) нитевидный углерод растет на железе, но не на никеле. ^{[ 8 ]} Формирование материала на этих металлах обычно происходит при температуре от 327 ° C (621 ° F) до 1027 ° C (1881 ° F). ^{[ 1 ]} Он также образуется, когда используется в качестве катализатора разложения хром ацетилена . ^{[ 11 ]} Нитчатый углерод также является одним из семи аллотропов углерода, образующихся при образовании кокса на трубах реактора и катализаторах. Аллотроп обладает способностью разрушать опорные структуры катализатора, блокируя тем самым реакторы. Он также образуется во время риформинга потока вместе с другими разновидностями углерода. ^{[ 2 ]}

Синтез

Нитчатый углерод также можно синтезировать путем крекинга метана . продукт газифицируют водородом . Затем В эксперименте, который обнаружил это, никеля в качестве металлической частицы для нити использовалась частица . Нить осаждается на «опорной стороне» частицы никеля. ^{[ 2 ]}

Нитчатый углерод может также образовываться при разложении ацетилена на пленках диоксида палладия и кремния . Однако нитевидный углерод не образуется на пленках диоксида палладия и кремния, если их предварительно нагреть водородом при температуре 597 ° C (1107 ° F). Это связано с тем, что в таких условиях палладий и диоксид кремния реагируют с образованием силицида палладия . Диоксид железа и кремния вместе также действуют как катализатор образования структур. Иногда силикат железа . в ходе этой реакции образуется ^{[ 12 ]}

Другой эксперимент показал, что нитевидный углерод может образовываться, когда углерода диспроприируется над окись оксидом кобальта . В эксперименте нагретую цементационную газовую смесь направляли поверх порошкообразного оксида кобальта. Нитчатый углерод является основным отложением, образующимся в результате этой реакции, когда она проводится при температуре 600 ° C (1112 ° F). ^{[ 4 ]}

При хлорбензола гидродехлорировании над никелем и кремнеземом образуются высокоупорядоченные структуры нитевидного углерода. Если присутствуют калий и бром , эта реакция может происходить при температуре всего 280 ° C (536 ° F). Это связано с тем, что калий и бром способствуют реструктуризации активных центров , вызывая тем самым деструктивную хемосорбцию реагента, а также вызывая осадка образование углерода. Добавление гидроксида калия к смеси никеля и кремнезема в реакции мало изменило выход реакции. Однако добавление бромида калия значительно увеличило выход. ^{[ 13 ]} Другие щелочных металлов бромиды также позволяют протекать реакции и образованию нитчатого углерода. Такие бромиды щелочных металлов включают бромид цезия . ^{[ 14 ]}

Нитчатый углерод также можно синтезировать путем разложения карбида хрома при температуре от 100 до 200 мегапаскалей и от 350 ° C (662 ° F) до 800 ° C (1470 ° F). ^{[ 15 ]} Он также был образован с использованием катализатора из фосфата кобальта и алюминия при 2 мегапаскалях и температуре от 220 ° C (428 ° F) до 240 ° C (464 ° F). Присутствие рутения в этой реакции снижает выход нитевидного углерода. ^{[ 16 ]}

Приложения

Нитчатый уголь использовался для очистки разливов нефти . Это происходит за счет того, что волокна связываются с сырой нефтью . ^{[ 17 ]} Он также используется в легких композиционных материалах, которые должны обладать прочностью при высоких температурах. ^{[ 18 ]}

История

Нитчатый углерод известен по крайней мере с 1890 года, когда П. и Л. Шютценбергеры наблюдали его при пропускании цианогена над раскаленным фарфором . ^{[ 19 ]} В 1950-х годах было обнаружено, что нити могут быть получены в результате реакции газов, таких как углеводороды, с такими металлами, как железо, кобальт и никель. Первые электронные микрофотографии трубчатых вариантов нитей появились в 1952 году. ^{[ 19 ]} В период с 1970-х по 1990-е годы нитевидный углерод был предметом ряда исследований. Эти исследования включали изучение термодинамических свойств образования аллотропа. ^{[ 2 ]} Самое значительное исследование, проведенное в то время, было проведено Терри Бейкером в 1970-х годах и касалось предотвращения роста нитевидного углерода внутри охлаждающих трубок ядерных реакторов . ^{[ 19 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Нитчатый углерод». Сборник химической терминологии ИЮПАК . 2009. doi : 10.1351/goldbook.F02362 . ISBN 978-0-9678550-9-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Снук, Дж.-В.; Фромант, Г.Ф.; Фаулз, М. (1997). «Образование и газификация нитевидного углерода: термодинамика, движущая сила, зарождение и стационарный рост». Журнал катализа . 169 (1): 240–9. дои : 10.1006/jcat.1997.1634 .
^ Торнтон, Мэтью Джеймс (2005). Каталитическое осаждение углерода на трехмерных носителях из углеродного волокна (кандидатская диссертация). Университет Ноттингема. ^{[ нужна страница ]}
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Старкович, Ю.А.; Лим, Вэй-Юэ; Пэн, Х. (1984). Модель каталитической реакции нитевидной газификации углерода (PDF) . Симпозиум по каталитической переработке топлива. стр. 89–94. Архивировано из оригинала (PDF) 28 апреля 2017 г. Проверено 1 сентября 2013 г.
^ Ли, Сяонянь; Чжан, И; Смит, Кевин Дж. (2004). «Влияние взаимодействия металла с подложкой на рост нитевидного углерода на катализаторах Co/SiO ₂ ». Прикладной катализ А: Общие сведения . 264 (1): 81–91. doi : 10.1016/j.apcata.2003.12.031 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Reshetenko, T. V.; Avdeeva, L. B.; Ismagilov, Z. R.; Pushkarev, V. V.; Cherepanova, S. V.; Chuvilin, A. L.; Likholobov, V. A. (2003). "Catalytic filamentous carbon" . Carbon . 41 (8): 1605–15. doi : 10.1016/S0008-6223(03)00115-5 .
^ Романенко Константин В.; д'Эспиноз де ла Кайери, Жан-Батист; Фрейсар, Жак; Решетенко Татьяна Владимировна; Лапина, Ольга Борисовна (2005). , ¹²⁹Xe-ЯМР исследование каталитического нитевидного углерода». Микропористые и мезопористые материалы . 81 (1–3): 41–8. doi : 10.1016/j.micromeso.2005.01.016 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дебокс, П. (1985). «Образование нитевидного углерода на железных и никелевых катализаторах I. Термодинамика». Журнал катализа . 96 (2): 454–67. дои : 10.1016/0021-9517(85)90314-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Альструп, И.; Таварес, Монтана; Бернардо, Калифорния; Соренсен, О.; Роструп-Нильсен-младший (1998). «Образование углерода на катализаторах из никеля и никель-медных сплавов». Материалы и коррозия . 49 (5): 367–72. doi : 10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M . hdl : 1822/1533 .
^ Коваленко Г.А.; Кувшинов Д.Г.; Комова О.В.; Симаков А.В.; Рудина, Н.А. (2004). «Каталитические нитевидные угли (ХФУ) и керамика с ХФУ-покрытием для иммобилизации биологически активных веществ» . В Гучери, Сельчук; Гогоци Юрий Г.; Кузнецов, Владимир (ред.). Наноинженерные нановолокнистые материалы . Дордрехт: Спрингер. стр. 100-1 265–70. ISBN 978-1-4020-2549-5 .
^ Бейкер, Р. (1973). «Образование нитевидного углерода из железа, кобальта и хрома, катализируемое разложением ацетилена». Журнал катализа . 30 (1): 86–95. дои : 10.1016/0021-9517(73)90055-9 .
^ Кемпински, Л. (1989). «Образование нитевидного углерода из ацетилена на пленках Pd/SiO2: влияние реакции металл-носитель». Письма о кинетике реакций и катализе . 38 (2): 363–7. дои : 10.1007/BF02062132 . S2CID 100956295 .
^ Парк, Колин; Кин, Марк А. (2001). «Рост нитевидного углерода на никеле/кремнеземе: калий и бром как промоторы катализатора». ХимияФизХим . 2 (12): 733–41. doi : 10.1002/1439-7641(20011217)2:12<733::AID-CPHC733>3.0.CO;2-5 . ПМИД 23686923 .
^ Парк, Колин; Кин, Марк А. (2002). «Рост нитевидного углерода с поверхности Ni/SiO2, легированного бромидами щелочных металлов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 250 (1): 37–48. Бибкод : 2002JCIS..250...37P . дои : 10.1006/jcis.2002.8298 . ПМИД 16290632 .
^ Басавалингу, Б.; Мадхусудан, П.; Даянанда, А.С.; Лал, К.; Байраппа, К.; Ёсимура, М. (2007). «Образование нитевидного углерода в результате диссоциации карбида хрома в гидротермальных условиях». Журнал материаловедения . 43 (7): 2153–7. Бибкод : 2008JMatS..43.2153B . дои : 10.1007/s10853-007-1927-9 . S2CID 136589375 .
^ Пэ, Чон Ук; Ким, Сын Мун; Пак, Сон-Джу; Прасад, П.С. Саи; Ли, Юн-Джо; Джун, Ки-Вон (2009). «Дезактивация путем образования нитевидного углерода на ко/фосфате алюминия во время синтеза Фишера-Тропша». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 48 (6): 3228–33. дои : 10.1021/ie801956t .
^ «Нитевидные углеродные частицы для очистки разливов нефти» . Проверено 2 сентября 2013 г. ^{[ ненадежный источник? ]}
^ Стейнфельд, А.; Кириллов В.; Кувшинов Г.; Могильных Ю.; Реллер, А. (1997). «Производство нитевидного углерода и водорода путем гелиотермического каталитического крекинга метана». Химико-техническая наука . 52 (20): 3599–603. дои : 10.1016/S0009-2509(97)00166-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Харрис, Питер Дж. Ф. (2009). «Углеродные нанотрубки, полученные каталитическим путем» . Наука об углеродных нанотрубках: синтез, свойства и применение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 6–7. ISBN 978-0-521-82895-6 .

Внешние ссылки

Нитчатые углеродные частицы для очистки разливов нефти и способ получения

[goldbook-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Нитчатый углерод». Сборник химической терминологии ИЮПАК . 2009. doi : 10.1351/goldbook.F02362 . ISBN 978-0-9678550-9-7 .

[snoeck-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Снук, Дж.-В.; Фромант, Г.Ф.; Фаулз, М. (1997). «Образование и газификация нитевидного углерода: термодинамика, движущая сила, зарождение и стационарный рост». Журнал катализа . 169 (1): 240–9. дои : 10.1006/jcat.1997.1634 .

[3] Торнтон, Мэтью Джеймс (2005). Каталитическое осаждение углерода на трехмерных носителях из углеродного волокна (кандидатская диссертация). Университет Ноттингема. ^{[ нужна страница ]}

[starkovitch-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Старкович, Ю.А.; Лим, Вэй-Юэ; Пэн, Х. (1984). Модель каталитической реакции нитевидной газификации углерода (PDF) . Симпозиум по каталитической переработке топлива. стр. 89–94. Архивировано из оригинала (PDF) 28 апреля 2017 г. Проверено 1 сентября 2013 г.

[5] Ли, Сяонянь; Чжан, И; Смит, Кевин Дж. (2004). «Влияние взаимодействия металла с подложкой на рост нитевидного углерода на катализаторах Co/SiO ₂ ». Прикладной катализ А: Общие сведения . 264 (1): 81–91. doi : 10.1016/j.apcata.2003.12.031 .

[researchgate-6] Перейти обратно: ^а ^б Reshetenko, T. V.; Avdeeva, L. B.; Ismagilov, Z. R.; Pushkarev, V. V.; Cherepanova, S. V.; Chuvilin, A. L.; Likholobov, V. A. (2003). "Catalytic filamentous carbon" . Carbon . 41 (8): 1605–15. doi : 10.1016/S0008-6223(03)00115-5 .

[7] Романенко Константин В.; д'Эспиноз де ла Кайери, Жан-Батист; Фрейсар, Жак; Решетенко Татьяна Владимировна; Лапина, Ольга Борисовна (2005). , ¹²⁹Xe-ЯМР исследование каталитического нитевидного углерода». Микропористые и мезопористые материалы . 81 (1–3): 41–8. doi : 10.1016/j.micromeso.2005.01.016 .

[pii_0021-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дебокс, П. (1985). «Образование нитевидного углерода на железных и никелевых катализаторах I. Термодинамика». Журнал катализа . 96 (2): 454–67. дои : 10.1016/0021-9517(85)90314-8 .

[formation-9] Перейти обратно: ^а ^б Альструп, И.; Таварес, Монтана; Бернардо, Калифорния; Соренсен, О.; Роструп-Нильсен-младший (1998). «Образование углерода на катализаторах из никеля и никель-медных сплавов». Материалы и коррозия . 49 (5): 367–72. doi : 10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M . hdl : 1822/1533 .

[10] Коваленко Г.А.; Кувшинов Д.Г.; Комова О.В.; Симаков А.В.; Рудина, Н.А. (2004). «Каталитические нитевидные угли (ХФУ) и керамика с ХФУ-покрытием для иммобилизации биологически активных веществ» . В Гучери, Сельчук; Гогоци Юрий Г.; Кузнецов, Владимир (ред.). Наноинженерные нановолокнистые материалы . Дордрехт: Спрингер. стр. 100-1 265–70. ISBN 978-1-4020-2549-5 .

[11] Бейкер, Р. (1973). «Образование нитевидного углерода из железа, кобальта и хрома, катализируемое разложением ацетилена». Журнал катализа . 30 (1): 86–95. дои : 10.1016/0021-9517(73)90055-9 .

[12] Кемпински, Л. (1989). «Образование нитевидного углерода из ацетилена на пленках Pd/SiO2: влияние реакции металл-носитель». Письма о кинетике реакций и катализе . 38 (2): 363–7. дои : 10.1007/BF02062132 . S2CID 100956295 .

[13] Парк, Колин; Кин, Марк А. (2001). «Рост нитевидного углерода на никеле/кремнеземе: калий и бром как промоторы катализатора». ХимияФизХим . 2 (12): 733–41. doi : 10.1002/1439-7641(20011217)2:12<733::AID-CPHC733>3.0.CO;2-5 . ПМИД 23686923 .

[14] Парк, Колин; Кин, Марк А. (2002). «Рост нитевидного углерода с поверхности Ni/SiO2, легированного бромидами щелочных металлов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 250 (1): 37–48. Бибкод : 2002JCIS..250...37P . дои : 10.1006/jcis.2002.8298 . ПМИД 16290632 .

[15] Басавалингу, Б.; Мадхусудан, П.; Даянанда, А.С.; Лал, К.; Байраппа, К.; Ёсимура, М. (2007). «Образование нитевидного углерода в результате диссоциации карбида хрома в гидротермальных условиях». Журнал материаловедения . 43 (7): 2153–7. Бибкод : 2008JMatS..43.2153B . дои : 10.1007/s10853-007-1927-9 . S2CID 136589375 .

[16] Пэ, Чон Ук; Ким, Сын Мун; Пак, Сон-Джу; Прасад, П.С. Саи; Ли, Юн-Джо; Джун, Ки-Вон (2009). «Дезактивация путем образования нитевидного углерода на ко/фосфате алюминия во время синтеза Фишера-Тропша». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 48 (6): 3228–33. дои : 10.1021/ie801956t .

[17] «Нитевидные углеродные частицы для очистки разливов нефти» . Проверено 2 сентября 2013 г. ^{[ ненадежный источник? ]}

[18] Стейнфельд, А.; Кириллов В.; Кувшинов Г.; Могильных Ю.; Реллер, А. (1997). «Производство нитевидного углерода и водорода путем гелиотермического каталитического крекинга метана». Химико-техническая наука . 52 (20): 3599–603. дои : 10.1016/S0009-2509(97)00166-8 .

[nanotubes-19] Перейти обратно: ^а ^б ^с Харрис, Питер Дж. Ф. (2009). «Углеродные нанотрубки, полученные каталитическим путем» . Наука об углеродных нанотрубках: синтез, свойства и применение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 6–7. ISBN 978-0-521-82895-6 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]