научная статья по теме КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОКИСЛЕНИЯ КУМОЛА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Химия

Текст научной статьи на тему «КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОКИСЛЕНИЯ КУМОЛА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 89, № 3, с. 460-466

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

УДК 541.128:541.182

КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОКИСЛЕНИЯ КУМОЛА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

© 2015 г. Н. С. Коботаева, Т. С. Скороходова, Н. В. Рябова

Российская академия наук, Сибирское отделение, Институт химии нефти, Томск

E-mail: nat@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 28.04.2014 г.

Созданы каталитические системы для процесса окисления кумола на основе активированных серебром углеродных нанотрубок. Показано, что серебро находится на поверхности углеродных нано-трубок в нанокристаллическом состоянии и имеет размеры 15—20 нм. Сделан вывод, что использование полученных каталитических систем в процессе окисления кумола молекулярным кислородом позволило существенно снизить температуру процесса и повысить селективность.

Ключевые слова: катализ, углеродные нанотрубки, наночастицы серебра, окисление кумола.

DOI: 10.7868/S0044453715030164

Решение проблемы селективного окисления углеводородов различного строения в целевые продукты с использованием в качестве окислителя молекулярного кислорода является приоритетным направлением катализа и предполагает использование катализаторов [1, 2]. Перспективным направлением в данном вопросе является создание катализаторов на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Идея использовать УНТ в качестве подложки для катализаторов была высказана почти сразу после открытия этой формы углерода. УНТ, как носители активной фазы катализатора, вызывают интерес исследователей благодаря не только своим физико-химическим свойствам — высокой удельной поверхности, механической прочности и высокой химической и термической стабильности [3, 4], но и из-за необычной электронной структуры графеновых стенок. В результате возникающего при сворачивании в цилиндр (трубку) напряжения, двойные связи, инертные в графите, приобретают повышенную реакционную способность в УНТ. Таким образом, в УНТ двойные связи приближаются по характеру к двойным связям фуллеренов [5] и, поэтому, нано-частицы металлов могут закрепляться на поверхности УНТ, благодаря не только функциональным группам поверхности, но и возможности достаточно прочно связываться с двойной связью УНТ, подобно тому, как металлы образуют я-ком-плексы с фуллеренами. Еще одно преимущество УНТ, по сравнению с другими носителями — объемный массив УНТ способен равномерно пространственно распределять наночастицы, оставаясь высоко прозрачным для потока жидкости или

газа (т.е. не создавая большого гидродинамического сопротивления).

Можно отметить широкий спектр работ, посвященный созданию и исследованию каталитических систем на основе углеродных нанотрубок с нанесенными на них металлами [6—8]. Подобного вида каталитические системы используются, в основном, для процессов восстановления органических соединений.

В данном сообщении приводятся результаты исследований по созданию каталитических систем на основе активированных серебром углеродных нанотрубок, изучению их физико-химических свойств и возможности использования в процессах окисления углеводородов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных образцов в работе использовали: углеродный наноматериал (УНМ-1), полученный воздействием СВЧ-излучения на природный газ в НИИ ЯФ Национального исследовательского Томского политехнического университета [9]; многослойные углеродные нанотрубки (УНМ-2) "BaytubesC 150 P" с числом слоев 3—15, диаметром 13—16 нм, длиной 1—10 мкм корпорации Bayer MaterialScience.

Наночастицы серебра наносили на поверхность нанотрубок методом пропитки солью металла в различных растворителях с последующим выделением, сушкой и прокаливанием при температуре 300-310°С (УНТ-1-Ag, УНТ-2-Ag).

Рентгенофазовый анализ. Исследование проводилось на рентгеновском дифрактометре Shimad-zu XRD 7000. Рентгенограммы получены на мед-

ном Си^а-излучении по схеме Брегга—Бретано с шагом 0.03 и временем экспозиции в точке, равной 6 с, в угловом диапазоне 10—80 град. Расчет рентгеноаморфной доли производился при помощи стандартного программного обеспечения, поставляемого с прибором.

Термогравиметрический анализ. ТГА-кривые получены на термоанализаторе Netzsch TG 209 F1 в диапазоне температур 30—850°С при скорости нагрева 10 К/мин и непрерывной подаче смеси воздуха с аргоном со скоростью 30 мл/мин и 10 мл/мин соответственно.

Инфракрасная спектроскопия. Спектры комбинационного рассеяния света (КР) регистрировались на ИК-фурье-спектрометре Nicolet 5700 c Raman-модулем. Длина волны возбуждающего лазера 1064 нм. Спектры измерялись с разрешением 4 см-1 и количеством сканов 6400. Спектры ИК НПВО регистрировались на ИК-фурье-спек-трометре Nicolet 5700 снабженном приставкой однократного НПВО Smart Perfomer. Спектры снимались на кристалле ZnSe в диапазоне 4000650 см-1 c разрешением 4 см-1 и числом сканов 640.

Процесс низкотемпературного окисления кумола. Окисление проводилось в стеклянном реакторе барботажного типа на газометрической установке при температуре 60°С и атмосферном давлении. В реактор помещали 5 мл кумола (99%, Aldrich) и 5 мг катализатора, что составляет 0.12 мас. %, окисление проходило под действием молекулярного кислорода, при постоянном перемешивании. После реакции смесь анализировали методом газовой хроматографии на хроматографе Agilent 7890A с пламенно-ионизационным детектором на капиллярной колонке НР-5 (длина 30 м, внутренний диаметр 0.32 мм), в режиме программирования температуры, при скорости газа носителя 0.7 мл/мин. Вследствие возможного термического разложения ГПК при хроматографическом определении его концентрация параллельно определялась йодометрически [10].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В процессе создания катализаторов с использованием УНТ возникают определенные трудности из-за низкой химической активности их боковых стенок и почти полным отсутствием функциональных групп на поверхности. Кроме этого, любой, известный на сегодняшний день метод синтеза УНТ предполагает наличие в общей массе полученного углеродного материала кроме массива нанотрубок и определенного количества различных примесей (аморфный углерод, нано-частицы графита, частицы металлов-катализаторов и пр). Так, например, углеродный наномате-риал, полученный при воздействии СВЧ-излуче-

ния на природный газ (УНМ-1) содержит до 50% аморфного углерода, а МУНТ фирмы Байер (УНМ-2) до 10% аморфного углерода и до 5% металлической фазы. Аморфный углерод и металлические примеси, содержащиеся в смеси, мешают равномерному нанесению на поверхность УНТ активной фазы катализатора, поэтому, создание эффективного катализатора на основе УНТ предполагает предварительную очистку углеродного наноматериала от примесей и декорирование поверхности самих УНТ функциональными группами.

Методы очистки УНМ от аморфного углерода, основаны на значительно меньшей химической устойчивости его к окислению по сравнению со структурированным углеродом. На основе анализа имеющихся в литературе сведений [11] и собственных исследований [12] для удаления аморфного углерода использовали азотную кислоту, в результате обработки которой УНМ происходит не только удаление аморфного углерода из смеси, но и образование покрова функциональных групп на поверхности углеродных нанотрубок.

Степень очистки углеродных нанотрубок оценивали методом рентгенофазового (РФА) (рис. 1) и термогравиметрического (ТГМ) анализов (рис. 2).

Согласно представленной рентгенограмме на кривых присутствуют рефлексы с максимумами в области углов по 29—25.9 град (002), 42.6 град (100), 53.3 град (004) и 77.8 град (110) относящиеся к углеродным нанотрубкам. Исходный УНМ-1 (рис. 1, кривая 1) содержит существенное количество аморфной фазы, что хорошо видно из наложения рентгенограмм. Рефлекс нанотрубок на 25.9 град в обработанном кислотой образце имеет намного более узкий и интенсивный контур, что напрямую свидетельствует об уменьшении количества аморфного углерода. В составе очищенного углеродного УНМ-1 содержание аморфной фазы снижается до 4.0%. Данные РФА анализа подтверждаются данными термогравиметрического анализа.

Начиная с температуры ~400°С на кривой необработанного в азотной кислоте углеродного на-номатериала (рис. 2, кривая 1), происходит постепенная потеря массы, связанная на первом этапе только с окислением аморфного углерода, а на втором с окислением всех структур. На кривой изменения массы очищенного наноматериала начало потери массы происходит намного позже, при температуре ~550°С, что свидетельствует о значительно меньшем содержании аморфного углерода.

Данные ИК НПВО спектроскопии дают представление о наличии и типе функциональных групп на поверхности нанотрубок после обработки азотной кислотой (рис. 1).

I, абс. ед. 6000

5000 4000 3000 2000 1000 0

0

20

40

60

80 100 29,град

Рис. 1. Рентгенограмма УНМ-1 (7), УНМ-1, обработанного азотной кислотой (2) и композиционного материала УНМ-1- Л§(3).

Согласно рис. 3 можно выделить полосы с частотами - 1639, 1533, 1500, 1408, 1308, 985-918 см-1. Объяснение о происхождении этих полос можно найти в работах [13-16]. Согласно представленным в работах теоретическим расчетам и экспериментальным исследованиям графита и МУНТ методом ИК-НПВО и КР-спектроскопии авторами работ установлено, что линия поглощения 1590 см-1 относится [13-16] к собственной колебательной моде нанотрубок, а именно тангенциальной. Эта мода обусловлена движением атомов углерода в плоскости графенового слоя, из которого свернута нанотрубка. В работе [16] эту полосу идентифицируют на частоте 1577 см-1 , а в нашем случае, вероятно, к данным колебаниям можно отнести полосу на частоте 1533 см-1 . Полоса на 1308 обусловлена краевыми дефектами графита и нарушением его структуры. Полосы 1639, 1533 также можно отнести к дефектам в кристаллической структуре графита и внутри плоскостным колебаниям атома углерода. Полосы в области 985 и 918 см-1 - межплоскостные колебания атомов углерода. При обработке УНТ азотной кислотой в спектре появляются новые полосы поглощения - 3433, 3246 см-1, которые можно отнести к колебаниям - О- Н-, - N Н-групп. В спектре следует отметить поло

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком