Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского»
Химический факультет
Реферат
«Каталитические волокнистые углеродные материалы»
Выполнила: студентка химического
факультета группы ХТС-901-О
Нишанова Насиба
Проверил: д.т.н., проф. Плаксин Г.В.
Омск 2011
Содержание
Введение
Механизм образования
Строение и свойства
Получение
Принципиальная схема синтеза КВУ
Применение
Заключение
Литература
Введение
Углерод называют неисчерпаемым и вездесущим. Его соединения и их превращения − основа всех известных биологических процессов. Переход от эпохи бронзы к эпохе железа в начале I тыс. до н.э. был в первую очередь обусловлен получением древесного кокса − продукта пиролиза (превращения одного продукта в другой под влиянием высоких температур без доступа воздуха) древесины. Именно тогда повышение содержания углерода в коксе позволило поднять температуру в плавильных печах с 1000 ˚С (точка плавления меди) до 1500 ˚С (точка плавления железа). А в XVIII в. на смену древесному углю пришел каменный. Короче говоря, рассматривая развитие цивилизации, можно, наряду с традиционным делением ее на периоды камня, бронзы, железа, ввести химическую или энергетическую хронологию: переход эпохи дерева к эпохам древесного, затем каменного угля, а ныне − нефти и газа, также «замешанных» на углероде. С этой точки зрения конец нашего столетия обещает стать началом эпохи углерод – углеродных композитов, т.е. материалов, состоящих из двух и более видов углеродов.
Особое место среди них занимает активный углерод. Его можно представить как конструкцию, построенную из слоев атомов, образующих структуру, подобную графиту. Отличие от последнего обусловлено различной степенью внутри- и межслоевой разупорядоченности атомов. В результате активный углерод имеет пространство, объем, и размер пор которого определяются величиной первичных кристаллитов, характером их упаковки и взаимной ориентацией. Вот почему активный углерод еще называют «пористый углеродный материал» (ПУМ).
Из почти бесконечного многообразия исходных материалов, после соответствующих обработок способных превратиться в ПУМ с заданными свойствами, рассмотрим только полученный из газообразных углеродсодержащих соединений − природного газа, метана, а также газов крекинга и т.д. Эти превращения можно проводить путем термического или термокаталитического пиролиза. На первом процессе основано производство сажи (технического углерода), а также пироуглерода − вещества, по упорядоченности атомов занимающего среднее положение между сажей и графитом. История другого − термокаталитического метода выработки углеродных композитов началась в конце XIX века, когда американцы Хьюгес и Чемберс обнаружили и в 1889 году запатентовали способ получения углеродных волокон при пиролизе смеси метана и водорода в железном тигле, а на рубеже 1920-1930-х годов Фишер и Гофман (Германия) впервые описали образование тех же волокон при разложении окиси углерода на железе. Оказалось, причина их появления − так называемая каталитическая коррозия. От нее разрушаются металлические дымоходы, химические реакторы, трубопроводы: при обработке органических соединений образовываются побочные продукты в виде каталитического волокнистого углерода (KBУ); он-то и действует столь негативно. Илей и Райли в 1948г. обнаружили углеродные волокна при пиролизе СН4, С2Н6 и С2Н4 на кварцевой подложке при 1473 К, а Шей и Дэвис объяснили механизм разрушения дымоходов диспергированием железа при образовании КВУ из СО. Адсорбционные свойства КВУ впервые исследованы Дубининым, Завериной и Радушкевичем. Это были волокна, синтезированные из СО на Fe при 273 К по Гофману. Удельная поверхность, рассчитанная методом Брунауэра – Эммета – Тейлора из изотерм адсорбции С6Н6, СН3ОН, С6Н14, ССl4 и хлороформа (после отмывки полученного углерода от Fe) оказалось равной 161 – 164 м2/г, отсутствие капиллярно-конденсационного гистерезиса свидетельствовало об отсутствии мезопор с размерами порядка 1- 10 нм.
Названные работы в основном выполнены до появления электронной микроскопии, которая стимулировала дальнейшие многочисленные исследования. Здесь в числе первых были Радушкевич и Лукьянович, описавшие на примере КВУ из СО на Fe типичные для многих ситуаций особенности: частицу металла в растущей «головной» части волокна, многообразие морфологии: удлиненные червеобразные, цепочкообразные или спиралевидные моноволокна, скрученные биволокна и т.д. Далее Ройен методом электронной микроскопии высокого разрешения дополнительно выявил ориентацию графитоподобных слоев относительно оси волокна (под углом 45˚ для КВУ из СО на Fe) и, канал, расположенный на оси волокна.
Сейчас исследования КВУ продолжаются широким фронтом, практическая их актуальность обусловлена перспективами использования в различных композитах, требующих, например, сочетания высокой механической прочности, тепло- и электропроводности, большой удельной поверхности, пористости и химической стойкости. Это различные инженерно-конструкционные композиционные материалы, где КВУ может выполнять роль арматуры, электрохимические аккумуляторы, фильтры, изоляторы и т.д. Последнее время большое внимание стали уделять и применению КВУ в качестве адсорбентов, носителей для катализаторов, хроматографии. Одновременно исследования механизмов образования КВУ связаны с традиционными проблемами дезактивации металлических катализаторов, каталитической эрозией химических и ядерных реакторов.