Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха
Разработан новый подход к формированию многостенных углеродных нанотрубок диаметром от 10 до 70 nm и низкой зольностью (менее 1 mass.%) с помощью механохимической и пиролитической обработок сфагнового мха (сфагнум бурый)....
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2013
|
| Назва видання: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135828 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха / Д.В. Онищенко, // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 2. — С. 76-80. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-135828 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1358282018-06-16T03:11:49Z Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха Онищенко, Д.В. Разработан новый подход к формированию многостенных углеродных нанотрубок диаметром от 10 до 70 nm и низкой зольностью (менее 1 mass.%) с помощью механохимической и пиролитической обработок сфагнового мха (сфагнум бурый). Розроблено новий підхід до формування багатостінних вуглецевих нанотрубок діаметром від 10 до 70 nm та низькою зольністю (менше 1 mass.%) за допомогою механохімічної і піролітичної обробок сфагнового моху (сфагнум бурий). New approach to formation of multi-walled carbon nanotubes of a diameter from 10 to 70 nm and low ash content (less than 1 mass.%) is developed, using the mechanochemical and pyrolytic treatment of sphagnum moss (sphagnum brown). 2013 Article Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха / Д.В. Онищенко, // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 2. — С. 76-80. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135828 541.136+546.34+541.18.053 ru Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Разработан новый подход к формированию многостенных углеродных нанотрубок
диаметром от 10 до 70 nm и низкой зольностью (менее 1 mass.%) с помощью механохимической и пиролитической обработок сфагнового мха (сфагнум бурый). |
| format |
Article |
| author |
Онищенко, Д.В. |
| spellingShingle |
Онищенко, Д.В. Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Онищенко, Д.В. |
| author_sort |
Онищенко, Д.В. |
| title |
Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха |
| title_short |
Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха |
| title_full |
Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха |
| title_fullStr |
Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха |
| title_full_unstemmed |
Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха |
| title_sort |
механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135828 |
| citation_txt |
Механохимическое получение многостенных углеродных нанотрубок из сфагнового мха / Д.В. Онищенко, // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 2. — С. 76-80. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT oniŝenkodv mehanohimičeskoepolučeniemnogostennyhuglerodnyhnanotrubokizsfagnovogomha |
| first_indexed |
2025-07-10T00:11:03Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:11:03Z |
| _version_ |
1837216587740872704 |
| fulltext |
76
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2013. – ¹ 2. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 541.136+546.34+541.18.053
МЕХАНОХИМИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ МНОГОСТЕННЫХ
УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ИЗ СФАГНОВОГО МХА
Д. В. ОНИЩЕНКО
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток
Разработан новый подход к формированию многостенных углеродных нанотрубок
диаметром от 10 до 70 nm и низкой зольностью (менее 1 mass.%) с помощью меха-
нохимической и пиролитической обработок сфагнового мха (сфагнум бурый).
Ключевые слова: сфагнум бурый, пиролиз, механоактивация, многостенные угле-
родные нанотрубки.
Интенсивное развитие современных нанотехнологий в мире обуславливает
необходимость в создании углеродных наноматериалов, служащих ключевым
сырьем для создания инновационных нанопродуктов. Одним из таких приоритет-
ных материалов являются многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ). Ис-
ключительная прочность углеродных связей обусловливает возможность созда-
ния на основе нанотрубок материалов на два порядка легче и практически на по-
рядок прочнее стали. Уникальные электрохимические, сорбционные, каталити-
ческие свойства углерода и еще целый ряд преимуществ этого элемента ставит
углеродные нанотрубки в ряд наиболее востребованных материалов для совре-
менной промышленности, в том числе газовой [1–3].
Сфагновые мхи являются ценным углеродсодержащим, лекарственно-техни-
ческим сырьем и в настоящее время достаточно востребованы на зарубежных
рынках Юго-Восточной Азии, Европы, США. Этот вид растительных ресурсов в
благоприятных природно-климатических условиях Дальнего Востока (Приамурья)
и Западной Сибири (Томская область) отличается полной возобновляемостью в
течение четырех-пяти лет, при условии соблюдения правил и нормативов добы-
чи. Сфагновые мхи в основном преобладают на хорошо увлажненных, бедных
минеральными веществами почвах (болотах). На болотах Приамурья и Томской
области выявлено более 30 видов сфагновых мхов. Среди них наиболее распро-
странен сфагнум бурый, обладающий высокой урожайностью, которая достигает
до 38...40 t/hа, и обусловлена тем, что этот вид имеет плотную дерновину. Очес
этого растения в условиях сфагнового верхового болота может достигать 15…50 cm,
так как этот вид создает кислую среду (до pH 3,5), что значительно замедляет
разложения его нижней части [1–3].
В продолжение систематических исследований и разработок в области созда-
ния функциональных материалов из растительного углеродсодержащего сырья
[3–5] и учитывая актуальность проблемы рационального и экологически прием-
лемого освоения растительных ресурсов Дальнего Востока и Западной Сибири,
целью работы являлось формирование многостенных углеродных нанотрубок из
сфагнума бурого с помощью пиролитических и механохимических процессов.
Материал и методика. В качестве исходного материала использовали мох
сфагнум бурый (Sphagnum fuscum), собранный на болотах нижнего Приамурья.
Сфагновый мох предварительно просушивали, просеивали для удаления избыточ-
Контактная особа: Д. В. ОНИЩЕНКО, e-mail: Ondivl@mail.ru
77
ной влажности и инородных примесей, подвергали дезинтеграторной обработке
для достижения дисперсности 100…150 µm. Получали модификацию углерода с
аморфной структурой с помощью разработанной энергосберегающей технологии
при температуре 950°С [6, 7]. Далее углеродную модификацию подвергали цик-
лической механохимической обработке на планетарной мельнице Pulverisette-4
фирмы “Fritsch” (Германия), где размалывающими телами являлись шары из
твердого сплава ВК-6 диаметром 16 mm, а механореактор представлял собой
герметический контейнер из коррозионно-стойкой стали со вставкой из сплава
ВК-6. Выполняли эксперименты при таком режиме: число оборотов главного
диска 400 min–1, число оборотов сателлитов – 800 min–1, интенсивность (отноше-
ние массы исходных материалов к массе размалывающих шаров) 1:27, в качестве
защитной атмосферы использовали аргон.
Исследовали удельную поверхность на анализаторе серии Сорбтометр-М,
ЗАО “КАТАКОН” (Россия, г. Новосибирск) и автоматизированной системе для
анализа площади поверхности ASAP 2020 (США), ее значение устанавливали по
термодесорбции азота.
Структуру поверхности, форму и размер частиц модификаций углерода, по-
лученных из сфагнума бурого, исследовали с помощью электронно-сканирующе-
го микроскопа EVO-60XVP фирмы “Carl Zeiss” (Германия). Строение МУНТ
изучали на электронном сканирующем микроскопе высокого разрешения Hitachi
S5500 (Япония) c приставкой для просвечивающей микроскопии.
Рентгеновский энергодисперсионный микроанализ выполняли на электрон-
но-сканирующем микроскопе EVO-50XVP фирмы “Carl Zeiss”, совмещенном с
рентгеновским энергодисперсионным спектрометром INCA Energy-350 (Англия).
Зольность МУНТ определяли с помощью анализатора серы и углерода
CS 600 фирмы “LECO” (США), а также руководствуясь сводом аналитических
методик [8].
Результаты исследований. На первом этапе исследования получили угле-
родную модификацию с аморфной структурой из сфагнума бурого при темпера-
туре пиролиза 950°С. На рис. 1 представлен продукт пиролиза в виде порошко-
вого материала с размером частиц менее 50 µm, пор от 100 до 200 nm и удельной
поверхностью (одноточечный метод БЭТ) 220 m2/g.
Рис. 1. Fig. 1. Рис. 2. Fig. 2.
Рис. 1. Морфология аморфной модификации углерода из сфагнового мха.
Температура пиролиза 950°С.
Fig. 1. Morphology of amorphous modification of carbon from sphagnum moss.
Pyrolysis temperature 950°C.
Рис. 2. Изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)
нановолокнистого углерода из сфагнового мха.
Fig. 2. Image scanning electron microscopy (SEM) of nano-fiber carbon from sphagnum moss.
78
Нановолокнистую модификацию углерода диаметром 10…70 nm (рис. 2) по-
лучили из аморфной модификации углерода из сфагнового мха в результате дли-
тельной механоактивации (время размола ~27 h).
Образованию нановолокнистой структуры углеродного материала при меха-
нохимической обработке способствовали: фрактальная, нанопористая структура
углерода, синтезированного в процессе пиролитического воздействия на сфагнум
бурый; специфичность механизма измельчения (отсутствие ударного воздейст-
вия) в планетарной мельнице; влияние каталитических условий, создаваемых
размольными телами из твердого сплава ВК-6. Повышенное содержание воль-
фрама и кобальта обусловлено износом твердосплавных размольных тел и стенок
механореактора (см. таблицу).
В исходном твердом сплаве ВК-6 содержится 6 mass.% Co и 94 mass.% WC,
однако в нановолокнистом углероде их содержание находится на сопоставимом
уровне. Это связано с эрозией кобальта из карбидной матрицы в процессе меха-
нохимической обработки аморфного углерода.
Химический состав МУНТ, полученных при 27 (10) h механоактивации
Содержание химических элементов, mass.% №
cпектра O C W Ni Cu Co Fe Ti Si
1 0,5
(0,24)
98,7
(99,3)
0,22
(0,12)
0,02
(0,01)
0,02
(0,01)
0,28
(0,12)
0,1
(0,09)
0,04
(0,02)
0,12
(0,09)
2 0,55
(0,26)
98,65
(99,25)
0,23
(0,11)
0,02
(0,01)
0,02
(0,01)
0,29
(0,13)
0,09
(0,08)
0,04
(0,02)
0,11
(0,13)
3 0,5
(0,28)
98,65
(99,25)
0,25
(0,10)
0,02
(0,01)
0,02
(0,01)
0,30
(0,14)
0,1
(0,05)
0,05
(0,03)
0,11
(0,13)
Как видно (рис. 3), после длительной механоактивации пиролитической мо-
дификации углерода из сфагнового мха образуются многостенные углеродные
нанотрубки.
Сформированные МУНТ имеют дефектную структуру типа “бамбук” и “вло-
женные наноконусы” (рис. 3a, b). Большинство нанотрубок имеет диаметр в пре-
делах 40 nm, а также присутствуют нанотрубки диаметром 10 и 70 nm (рис. 3c).
Сформированные посредством механохимической обработки МУНТ имеют
довольно высокую удельную поверхность (Sspec. = 400...510 m2/g) и низкую золь-
ность (~1,5 mass.%).
Для изучения режимов и механизма образования МУНТ дополнительно ис-
следовали механоактивацию аморфного углерода, ее время снизили с 27 h до 1, 2,
4, 6, 8 и 10 h соответственно.
Образование МУНТ не происходит вплоть до 6 h механохимической обра-
ботки, аморфный углерод сохраняет свою округлую и чешуйчатую форму. После
8 h обработки (рис. 4а) начинается формирование нановолокнистой структуры,
округлые частицы расслаиваются и вытягиваются в нановолокна (60…70% нано-
волокон от аморфного углеродного массива). Вероятнее всего это связано со
взрывными механизмами [9], которые реализуются в процессе механоактивации.
После 10 h (рис. 4b) механоактивации структура на 100% состоит из нановолокон
диаметром от 10 до 70 nm, причем просвечивающая микроскопия показывает,
что после 10 h механоактивации структура МУНТ менее дефектная, чем после
27 h обработки (рис. 3d).
79
Рис. 3. Изображение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) многослойных
углеродных нанотрубок после 27 h (a–c) и 10 h (d) механоактивации.
Fig. 3. Image transmission electron microscopy (TEM) of multi-layer carbon nanotubes
after 27 h (a–c) and 10 h (d) of mechano-activation.
Рис. 4. Изображение СЭМ пиролитической модификации углерода из сфагнума бурого
после 8 h (a) и 10 h (b) механоактивации.
Fig. 4. SEM image of pyrolytic modification of carbon from brown sphagnum
after 8 h (a) and 10 h (b) of mechano-activation.
При снижении времени механоактивации аморфного углерода с 27 h до 10 h
уменьшается зольность до 1 mass.% и содержание кобальта и вольфрама (более
чем в два раза) в формируемых многостенных углеродных нанотрубках (см. таб-
лицу).
ВЫВОДЫ
В процессе механоактивации аморфной модификации углерода, полученной
пиролизом сфагнового мха при температуре 950°С, сформирована нановолокнис-
тая модификация углерода, состоящая из многостенных углеродных нанотрубок
диаметром от 10 до 70 nm с низкой зольностью (~1 mass.%). Установлено время
начала образования нановолокнистой структуры и предполагаемый механизм ее
80
образования. Сформированные многостенные углеродные нанотрубки могут в
дальнейшем применяться, как диссипаторы энергии возбуждения, а следователь-
но, как фото-, радио- и термостабилизирующие добавки. Учитывая на предпола-
гаемую высокую термомеханическую прочность вместе с уникальными электро-
физическими свойствами, можно прогнозировать также высокую эффективность
сформированных нанотрубок в качестве модификаторов межфазных границ в
композитных материалах, в том числе как центров управления надмолекулярной
структурой полимерных связующих и центров кристаллизации в неорганических
композитных системах. Синтезированные МУНТ могут также служить перспек-
тивным углеродным агентом для синтеза карбидов металлов, энергоемким анод-
ным материалом для литий-полимерных аккумуляторов, применяться в качестве
селективных сорбентов.
РЕЗЮМЕ. Розроблено новий підхід до формування багатостінних вуглецевих нано-
трубок діаметром від 10 до 70 nm та низькою зольністю (менше 1 mass.%) за допомогою
механохімічної і піролітичної обробок сфагнового моху (сфагнум бурий).
SUMMARY. New approach to formation of multi-walled carbon nanotubes of a diameter
from 10 to 70 nm and low ash content (less than 1 mass.%) is developed, using the
mechanochemical and pyrolytic treatment of sphagnum moss (sphagnum brown).
1. Чаков В. В., Бердников Н. В., Коновалова Н. С. Органическое вещество жидкой фазы
торфа и его гидролизатов из месторождений Среднеамурского бассейна // Тихоокеан-
ская геология. – 2008. – 27, № 6. – С. 100–104.
2. Чаков В. В. Ресурсы верховых болот Нижнего Приамурья и перспективы их освоения.
– Хабаровск: Изд-во ДВО РАН, 2009. – 172 с.
3. Онищенко Д. В., Чаков В. В. Возобновляемое растительное сырье как основа для полу-
чения функциональных нанокомпозитных материалов универсального назначения
// Журн. прикладной химии. – 2011. – 84, № 9. – С. 1562.
4. Онищенко Д. В., Бойко Ю. Н., Попович А. А. Технология формирования анодных нано-
композитных систем из возобновляемого растительного сырья и нанодисперсных эле-
ментов для циклируемых источников тока // Вопр. материаловедения. – 2010. – № 3
(63). – С. 86.
5. Онищенко Д. В., Рева В. П. Получение нанопорошка карбида вольфрама методом
механической активации // Физика и химия обработки материалов. – 2011. – № 2.
– С. 71–77.
6. Патент РФ на полезную модель № 67777. Устройство для изготовления анодного ма-
териала / А. А. Попович, Д. В. Онищенко. – Опубл. 27.10.2007.
7. Патент РФ на полезную модель № 72358. Устройство для изготовления анодного ма-
териала / А. А. Попович, Д. В. Онищенко. – Опубл. 10.04.2008.
8. Ивков А. Г. Разработка и аттестация методик аналитического контроля на предприятии
// Метрологическое обеспечение аналитического контроля на предприятиях основной
химической промышленности. – Черкассы, 1987. – C. 25–45. – Деп. в Черкасском отде-
лении НИИТЭХИМа 13.07.88, № 544хп-Д 82.
9. Попович А. А. Механохимический синтез тугоплавких соединений. – Владивосток:
Изд-во ДВГТУ, 2003. – 201 с.
Получено 20.12.2012
|