научная статья по теме КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ»

Углеродные наноструктуры

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Д. Н. Борисенко, В. В. Кведер, Н. Н. Колесников, М. П. Кулаков

Институт Физики Твердого Тела РАН, Черноголовка, 142432, Россия Факс: (096) 524-97-01, e-mail: bdn@issp.ac.ru

Для изучения кинетики окисления углеродных наноматериалов использованы многостенные углеродные нанотрубки (МСУНТ), сажа со стен реактора и фуллерен С60, полученные методом дугового разряда в атмосфере гелия. Для экспериментального обоснования применимости термогравиметрии как метода количественного анализа в качестве модельного материала были выбраны алмазные микропорошки АСМ 2/1, АСМ 3/2 и АСМ 60/40 (ГОСТ 9206-80 Е) с размером частиц основной фракции dt = 1,5 цм, d2 = 2,5 цм и d3 = 50 цм соответственно. Сжигание образцов проводили на воздухе, используя Дери-ватограф Q-1500 D. Массу навесок варьировали в диапазоне от 40 до 700 мг. Скорость нагрева во всех опытах была равна v = 2,5 град мин-1. Чувствительность весовой шкалы составляла 1 мг. Для сжигания алмазных порошков применяли кварцевые тигли трех видов: 1) диаметром D = 4 мм и глубиной H =25 мм; 2) D = 7 мм, H =11 мм; 3) D = 10 мм, H =10 мм. Окисление нанотрубок и сажи осуществляли в конических алундовых тиглях глубиной ~14 мм и диаметром в верхней части ~11 мм.

Различие химической активности углеродных наноматериалов исследовалось на основе химической кинетики гетерогенных процессов. Реакция окисления, описанная обобщенным уравнением 32Cs + O2 = 12CO2 + CO , представляет собой химическую реакцию первого порядка по кислороду. Рассматриваем только внешнекине-тический режим горения, при котором реакция сосредотачивается на внешней поверхности, где концентрация окислителя условно равна его концентрации в объеме вокруг частицы. Скорость гетерогенного процесса в этом случае может быть описана уравнением (1): (- dm / dt) = kCnQSa, где (- dm / dt) — скорость окисления углеродного материала; Sa — площадь активной внешней поверхности, которая представляет собой долю а от общей площади поверхности углеродных частиц: Sa=aS; k — константа скорости реакции, выражаемая уравнением: k = k0 exp(-Ea /RT), где T = (vt + 273 ), К; C0 — концентрация кислорода в атмосфере воздуха (C0 = 9,354 моль-м 3); n=1

— порядок реакции по кислороду. Активной внешней поверхности частиц соответствуют участки с разорванными р-связями (призматические плоскости кристаллической решетки графита), причем ненасыщенные s-связи (базальные плоскости) считаем инертными по отношению к кислороду. В приближении сферических частиц, интегрируя уравнение (1), получим выражение (2) для изменения массы навески т с течением времени:

\3

m = m

1 -

2C)ak о

Pd о

I

где значение I находим численным интегрирова-

нием

: I = | exp

E

R(vt + 273)

dt; р —

плотность

частицы, кг-м3; d0 — начальный размер частицы, м; тд — начальная масса навески, мг. На рисунке 1 представлены: (1) — график экспериментально полученной кривой ТГА (для случая окисления алмазного микропорошка АСМ 60/40 с массой навески 56 мг) и (2) — график расчетной зависимости изменения веса пробы при повышении температуры со скоростью 2,5 град-мин-1 и значением энергии активации для реакции окисления алмазных микропорошков. Видно, что поведение системы, начиная с момента, указанного стрелкой «А», отличается от ожидаемого хода процесса вследствие постепенного перехода лимитирующей стадии из кинетической области в диффузионную (линейный участок между стрелками «В» и «С» на кривой 1). Участок между стрелками «А» и «В» — переходная область, где скорости химической реакции и диффузии соизмеримы.

Изучение термогравиметрических кривых сведено к изучению начала потери веса — кинетической области процесса окисления. Экспериментально установлено, что температуры начала и вид кривой потери веса при окислении аллотропных форм углерода сильно различаются в зависимости от дисперсности частиц, массы навески и геометрии тигля. Анализ химической активности углеродных материалов показал, что наиболее важным

ISJAEE Специальный выпуск (2003)

? \

А \ ____В \

\\ .С.

\

\ ■-2

500 600 700 800 900 1000

Т,°С

Рис.1. Прирост массы сажи при разных температурах пиролиза этилена на LaNi5HX

фактором является площадь активной поверхности. Из экспериментальных данных найдены значения энергии активации для реакции окисления кислородом воздуха МСУНТ (190,4±2 кДж-моль-1), фуллерена С60 (162,1±2кДж-моль-1), аморфного углерода (124,7±2 кДж-моль-1) и синтетического алмаза (166,3±2 кДж-моль-1), а также значение предэкспонен-циального множителя к = (1,6±0,2)х104 кг-м-моль-1-мин-1.

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