Способ синтеза композитного углеродного материала с наночастицами металла с переносом части их электронной плотности в углеродную матрицу
METHOD FOR SYNTHESIS OF COMPOSITE CARBON MATERIAL WITH METAL NANOPARTICLES WITH TRANSFER OF PART OF THEIR ELECTRONIC DENSITY INTO CARBON MATRIX

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам управления электронной структурой углеродных материалов с помощью создания обменно связанных электронов наночастиц металла с электронами системы полисопряженных связей углеродного материала. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу синтеза углеродного материала с наночастицами металлов в нем с переносом части их электронной плотности в углеродную матрицу. Изобретение может быть использовано в химической, металлургической, в других отраслях промышленности, в энергетике, связанных с использованием наномодифированных металлами углеродных материалов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ получения углеродных, металлических и металлоуглеродных наночастиц, раскрытый в RU 2005121234 А, опубл. 20.01.2007. Известный способ включает процесс приготовления реакционной смеси, проведение процесса синтеза наночастиц под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, включающий процесс конденсации и роста наночастиц, отличающийся тем, что в качестве исходных веществ для приготовления реакционной смеси используются реагенты в газовой фазе, в частности летучие углерод- и/или металлсодержащие соединения и газ-разбавитель, при этом процесс синтеза наночастиц под воздействием УФ излучения проводят до получения пресыщенного углерод и/или металлического пара с последующей его конденсацией.
Недостатками известного способа являются: невозможность устойчивого воспроизводимого синтеза углеродных материалов с заданными электронообменными свойствами, высокая энергоемкость, проблемность реализации в промышленных масштабах, широкий разброс синтезируемых частиц по размерам и свойствам, их агрегация, сложность прямого использования получаемого ультрадисперсного материала в технологических процессах.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является US 2006/0116443 А1, опубл. 01.06.2006. В аналоге раскрыт способ получения металлосодержащего углеродного материала, включающий пропитку технического углерода соединениями необходимого металлического компонента, сушку пропитанного углеродного материала и восстановление соединений металлов для формирования заданного состава материала, включающего в себя углерод в виде сажи, графита или углеродный материал иной структуры, и металлический компонент, при необходимости в комбинации с одним или несколькими другими металлами.
Недостатком аналога являются: невозможность устойчивого воспроизводимого синтеза углеродных частиц с заданными электронообменными свойствами, широкий разброс частиц металлов по размерам и свойствам, использование высоких концентраций металлов в углеродной матрице, обеспечивающих формирование крупных частиц, исключающих электронный обмен с углеродной матрицей с переносом в нее части электронной плотности с металла.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявленного изобретения является обеспечение устойчивого воспроизводимого синтеза функциональных углеродных материалов с заданными электрообменными свойствами, обеспечивающими электронный обмен металла с углеродной матрицей с переносом в нее части электронной плотности с металла, с высокими потребительскими характеристиками, в том числе адсорбентов с молекулярно-ситовыми свойствами. Задача решается путем формирования в порах, на поверхности наночастиц металлов со свойствами, обеспечивающими перенос части электронной плотности их электронов проводимости в углеродную матрицу.
Техническим результатом заявленного изобретения является резкое увеличение проводимости, теплопроводности материалов, появление парамагнитных свойств, в частности, повышение адсорбционной активности углеродных сорбентов при введении незначительной концентрации металлов переменной валентности в углеродную матрицу.
Указанный технический результат достигается путем синтеза композитного углеродного материала, включающего следующие стадии:
- пропитку углеродного материала раствором солей металлов;
- восстановление ионов до металла водородом или иным известным способом при непрерывном контроле ионного состояния металла, до скачкообразного изменения свойств углеродной матрицы - магнитных и/или электрофизических, и/или электронообменных.
В качестве углеродных материалов могут быть использованы углеродные наночастицы, сорбенты, молекулярные сита, волокна, ткани, композиты, технический углерод, кокс, электродный материал.
В качестве растворов солей металлов возможно применять растворы солей меди никеля, железа, платины, палладия, других металлов, в том числе переменной валентности.
Изменение магнитных свойств углеродных материалов определяли по данным спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Изменение электрофизических свойств контролировали по проводимости углеродной матрицы, и/или поглощению/отражению высокочастотного или сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Изменение электроннообменных свойств фиксировали по скорости диффузии молекул газа на поверхности и в порах углеродного материала, при стабильных геометрических характеристиках поверхности и пор.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ синтеза композитного углеродного сорбционного материала осуществляют следующим образом.
Пропитывают углеродный материал раствором соли/солей металлов (меди, никеля, железа, платины, палладия, других). В качестве углеродных материалов применяют углеродные наночастицы, сорбенты, молекулярные сита, волокна, ткани, композиты, технический углерод, кокс, электродный материал. В подготовленном углеродном материале восстанавливают ионы металлов в условиях, обеспечивающих формирование наночастиц металлов определенного размера и состояния, обеспечивающего перенос части электронной плотности с металла в углеродную матрицу. При этом непрерывно контролируют состояние металла и/или углеродной матрицы. В микрореакторе контроль возможен по данным спектроскопии ЭПР, диэлектрической спектроскопии, диффузионно-кинетическим характеристикам углеродного материала. В макрореакторе периодического или непрерывного действия состояние и превращения композита углеродной матрицы и частиц металла контролируют по проводимости материала, по поглощению/отражению высокочастотного или сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Превращение металла в углеродном материале осуществляют до скачкообразного изменения свойств углеродной матрицы. Его фиксируют по данным о проводимости углеродной матрицы, и/или скорости диффузии молекул газа в порах материала, и/или отражения/поглощения электромагнитного излучения, и/или фактора
спектроскопического расщепления (g-фактора), и/или времени релаксации резонансных переходов неспареных электронов углеродной матрицы - по данным ЭПР спектроскопии.
Как показали эксперименты, формирование в порах, на поверхности углеродного материала наночастиц металла с переносом части их электронной плотности в углеродную матрицу, сопровождающееся скачкообразным изменением электроннообменных свойств углеродного молекулярного сита, обеспечивает, в частности, изменение формы сорбции монооксида углерода при комнатной температуре с физической в хемосорбцию. При некотором повышении температуры сорбента монооксид углерода переходит в состояние физической сорбции, и сорбент регенерируется. Таким образом, использование наномодифицированного предлагаемым способом углеродного молекулярно-ситового материала позволяет обеспечить возможность получения сверхчистого водорода из смеси его с монооксидом углерода в синтезгазе с помощью энергоэффективного короткоциклового способа с нагревной регенерацией.