КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ИЗ МЕТАНСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ
CATALYST FOR PRODUCING CARBON NANOTUBES USING METHANE-CONTAINING GASES

Изобретение относится к области наноматериалов и может быть использовано при создании новых перспективных продуктов на основе углеродных нанотрубок, получаемых из метансодержащих газов, в том числе из синтез-газов, вырабатываемых при газификации углей.
Наноструктурный углерод и, в частности, углеродные нанотрубки (УНТ) - это новый материал наноразмерного типа, сочетающий в себе свойства молекул и твердого тела и являющийся протяженными цилиндрическими полыми структурами из атомов углерода. Диаметр УНТ составляет от одного до нескольких десятков нанометров, длина - до нескольких микрометров.
УНТ могут быть использованы: в качестве конструкционного материала, обладающего особо высокой прочностью (модуль упругости Юнга - 500÷5000 ГПа), для создания хранилища газов, в частности водорода, в качестве основы полупроводниковых приборов и конденсаторов нового поколения, в качестве эффективных адсорбентов, добавок в смазки, лаки и краски и для многих других целей.
Наиболее эффективно получение УНТ реализуется в процессе разложения метана в присутствии катализатора при температуре 800÷1000°С.
2
2
3
Из уровня техники известно использование в таком процессе катализаторов, выполненных искусственно в виде частиц активных металлов Mo, Fe, Mg, Ni, Co одиночных или в различных сочетаниях с размещением их на носителях MgO, SiO или AlO (см. патент RU 2338686, B22B 3/00, 2007). Благодаря специально созданной структуре катализатора углеродные нанотрубки растут на поверхности катализатора. Выход УНТ от общего количества получаемого углерода составляет 15-25%. Стоимость полученных УНТ весьма высока (один грамм стоит несколько сот долларов США) и определяется высокой стоимостью катализатора, большой трудоемкостью процесса отделения УНТ от катализатора и аморфного углерода, а также малым количеством получаемых УНТ.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является снижение стоимости УНТ, получаемого из метансодержащих газов.
Технический эффект от использования изобретения состоит в существенном упрощении технологии изготовления катализатора, используемого в процессе получения УНТ из метансодержащих газов. Достигаемым техническим результатом при этом является исключение необходимости изготовления катализатора с нанесением на подготовленную основу специального покрытия с последующим обжигом и рядом других необходимых технологических операций. Использование руды в качестве катализатора не требует, кроме дробления, практически никакой ее специальной обработки.
Указанные задача и достигаемый технический результат обеспечиваются применением природной руды, содержащей оксиды марганца в количестве 7÷43% мас. и оксиды железа в количестве 3÷29% мас., остальное - балласт в качестве катализатора в процессе получения углеродных нанотрубок из метансодержащего газа.
Осуществление изобретения
Как показали экспериментальные исследования, при указанном содержании в природной руде оксидных соединений марганца и железа обеспечивается очень высокая каталитическая способность такой руды к разложению метана на составляющие и получению УНТ. В частности, согласно изобретению по результатам проведенных экспериментов степень разложения метана достигает 90%.
В таблице 1 представлен состав исследованной в качестве катализатора образца подобной руды (приведены данные только об основных компонентах).
Таблица 1
Руда
Состав исследованной руды, % мас.
1
2
Железомарганцевая руда Порожинского месторождения с соединениями Mn в виде пиролюзита
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 21,3; MnO<sub>2</sub> - 26,2; SiO<sub>2</sub> - 17,2; Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 8,8; MgO - 1,26; K<sub>2</sub>O - 0,7; CaO - 0,54; TiO<sub>2</sub> - 0,48; P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> - 0,36; Na<sub>2</sub>O - 0,02; BaO - 0,05; SO<sub>3</sub> - 0,01
Каталитическое разложение метана с применением в качестве катализатора исследованной руды осуществлялось на искусственном горючем газе, содержащем (об.%) - 31,6% метана и 15,8% водорода, остальное - примеси при 800°С и давлении 0,1 МПа. После прохождения этого газа через слой катализатора содержание метана в газе падало до 3,5% (об.), а содержание водорода возрастало до 50,8% (об.), и при этом происходило осаждение на катализаторе углерода.
Методом просвечивающей электронной микроскопии с увеличением 100000 в представленной пробе были обнаружены УНТ от формирующихся до законченных и имеющих внутренний диаметр от 4 до 8 нм. Выход УНТ составлял 30% от общего количества углерода. Аналогичные результаты были получены при исследовании образцов руд других месторождений с содержанием оксидов марганца и железа в заявленных диапазонах.