Модифицированный реактор синтеза углеродных наноструктур

Полезная модель «Модифицированный реактор синтеза углеродных наноструктур» предназначена для реализации управляемого синтеза углеродных наноструктур из ацетилена в присутствие катализатора (в частности ферроцена) и представляет собой цилиндрическую камеру, внутри которой помещена тонкостенная никелевая трубка. В камере имеются отверстия и краны для откачки (вакуумированя) и напуска газовых реагентов и паров катализатора. К концам никелевой трубки подсоединен регулируемый источник тока, позволяющий разогревать трубку джоулевым теплом тока, протекающего по ней до температуры порядка 1000 С°. В камеру вводится дополнительный электрод причем подача высокого напряжения на этот электрод инициирует электрический разряд между электродом и центральной никелевой трубкой. Существенное улучшение работы заявленного ранее [2] реактора достигается за счет возбуждения волны бескислородного горения ацетилена вблизи нагретой никелевой трубки. Вторая стадия работы реактора - очистка депозита активированным водородом и отслоение депозита, сохраняется неизменной. При этом первая фаза работы реактора осаждения насыщенного наноструктурными элементами пиролизного углерода сокращается до долей секунды, что существенно увеличивает производительность реактора.

Полезная модель «Модифицированный реактор синтеза углеродных наноструктур» относится к области техники выращивания углеродных наноструктур.

Известно [1], что ацетилен - единственный широко используемый газ, относящийся к числу немногих соединений, воспламенение и взрыв которых может происходить в отсутствие кислорода. При максимальном упрощении процесса реакция распада ацетилена может быть записана следующим образом:

Причем в определенных условиях реализуется взрывное разложение и продукты реакции могут разогреваться после прохождения взрывной волны до температур порядка 3000° К. Разложение ацетилена протекает с высвобождением энергии двойных связей (54,2 ккал/моль), с выделением избыточного углерода и водорода. Самоподдерживающаяся реакция разложения может протекать в режиме распространения волн горения и\или детонации. В дальнейшем нас будет интересовать именно волна самовоспламенения или бескислородного горения, которая характеризуется более низкими давлениями (порядка атмосферы), меньшим температурным скачком на фронте волны (до тысячи градусов).

В качестве прототипа авторы используют свою полезную модель реактора [2], которая успешно использовалась для генерации углеродных нанотрубок [3, 4], однако новый режим, предлагаемый в настоящей заявке, радикально увеличивает производительность (при уменьшении энергозатрат) реактора оставляя его конструкцию практически без изменений. Производительность описанного в [2] реактора определяется скоростью осаждения депозита в присутствии мелкодисперсного катализатора и процессом очистки-отслаивания продуктов пиролиза активированным водородом и имеет характерные времена порядка десятков минут и более, что существенно ограничивает выход продуктов реакции. Новая предлагаемая авторами полезная модель реактора использует не «медленный» тепловой процесс пиролиза, а локализованное вблизи центрального электрода - никелевой трубки - распространение волны бескислородного горения, связанной с экзотермическим разложением ацетилена. В процессе самоподдерживающегося распространения такой волны горения в парах катализатора ферроцена происходит процесс, аналогичный пиролизу, т.е. реакция с выделением атомарного углерода и выделения тепла, приводящего к достижению оптимальных для роста углеродных нанотрубок температур порядка 800 С° и при которой ферроцен уже разложился с выделением железа (катализатора). В результате прохождения волны за доли секунды происходит выделение атомарного углерода с осаждением его на центральный, подогретый до оптимальной температуры электрод, а также с выделением в атмосфере вблизи центрального электрода. В результате выбора оптимальных условий по температуре, давлению, составу буферного газа, концентрации катализатора образуются наноструктурные депозиты, аналогичные тем, что и в режиме работы реактора прототипа. В новом режиме реактора в дополнение к осаждающимся на центральный электрод наноструктурам образуются характерные волокна или нитевидные связки наноструктур, часто с металлическим блеском, что свидетельствует о том, что реакция разложения в этом случае идет не только на поверхности разогреваемого электрода, но и в объеме реактора вблизи нагретой трубки центрального электрода. Самое существенное изменение состоит в том, что время, необходимое для распространения волны горения, осаждения депозита и генерации наноструктур сокращается более чем в сотни раз по сравнению с прототипом и, соответственно, повышается производительность реактора. Инициализация волны горения может реализоваться как увеличением температуры центрального электрода, так и пропусканием электрического разряда вблизи центрального электрода, причем в последнем случае частота генерации депозита может достигать десятков герц (вместо часовой экспозиции в первоначальном варианте реактора), а при использовании принудительного нагнетания горючей смеси и более высоких частот. В любом случае в исходную полезную модель реактора, описанную в [2], вводится дополнительная система электродов для реализации оптимального режима электрического поджига смеси.

Литература

1. Б.А.Иванов,- «Физика взрыва ацетилена» Издательство «Химия», Москва,1969, 177 стр.

2. Реактор синтеза углеродных наноструктур(полезная модель) 64198 U1 от 22.12.2006 ЦЕНИ ИОФ РАН Апресян Л.А., Власов Д.В., Конов В.И.

3. Л.А.Апресян, Д.В.Власов, Т.В.Власова, В.И.Конов, Г.А.Крикунов, А.А.Климанов. Реактор с активированным водородом для синтеза углеродных нанотрубок. //ЖТФ. 2006. Т. 76. С.140-142

4. Л.А.Апресян, Д.В.Власов, Т.В.Власова, В.И.Конов, А.А.Климанов, С. В.Терехов Синтез углеродных нановолокон и нанотрубок в реакторе с активированным водородом. // ЖТФ.2006. Т. 76. вып 12. с.92-97.

1. Модифицированный реактор синтеза углеродных наноструктур с использованием активированного водорода, отличающийся тем, что для возбуждения волны горения вводится дополнительная система электродов, электроразряд с которой позволяет использовать для осаждения углеродного депозита волну бескислородного горения ацетилена.

2. Модифицированный реактор по п.1, отличающийся тем, что возбуждение локализованной вблизи электрода волны горения инициализируется быстрым увеличением (или скачком) температуры центрального электрода более 100°С по сравнению с оптимальной температурой образования углеродного депозита.