Исследование закономерностей формирования углеродных наноструктурированных продуктов различной морфологии, получаемых при термической деструкции и каталитическом разложении галогенуглеводородов на самоорганизующихся катализаторах Ni-М

На втором этапе проекта исследовалась зависимость морфологических и текстурных характеристик получаемого углеродного наноструктурированного материала (УНМ) от условий разложения 1,2-дихлорэтана на Ni₁₋ₓ - Mₓ (М = Pt, Pd, Fe, Mo, x = 1 - 10 масс.%) катализаторах. Методами электронной микроскопии (СЭМ, ПЭМ) показано, что углеродный продукт представляет собой дефектные нити сегментированной структуры. Размер нитей находится в диапазоне 0,2 - 0,5 мкм. За счет подобного строения УНМ обладает сравнительно высокой удельной поверхностью (300 - 450 м²/г). Установлено, что повышение температуры реакции и увеличение концентрации водорода в смеси приводит к снижению степени дефектности углеродного материала (ПЭМ, КР-спектроскопия). Наименьшее влияние концентрации второго металла на морфологические и текстурные свойства отмечено для продукта, полученного на Ni-Pd катализаторах. Данный материал характеризуются чрезвычайно низкой насыпной плотностью (<0,03 г/см³). В то же время для УНМ, синтезированного на других Ni-M (М = Pt, Fe, Mo) катализаторах, этот параметр варьируется в диапазоне 0,08 - 0,15 г/см³. В процессе разложения хлоруглеводородов, наряду с ростом каталитического наноструктурированного материала (к-УНМ), зафиксировано отложение углеродного продукта некаталитического происхождения (нк-УНМ). Таким образом, следующая задача проекта заключалась в изучении закономерностей и механизма формирования нк-УНП на инертных подложках в ходе газофазной деструкции галогензамещенных углеводородов (Br- и I-бутан, четыреххлористый углерод, 1,2-дихлорэтан) и их смесей в двух вариантах организации процесса: в проточном режиме и в замкнутой системе. Предположено, что основным фактором, определяющим формирование нк-УНМ, является склонность галогенуглеводородов к термическому распаду с образованием радикалов и с дальнейшим протеканием реакции полимеризации радикалов до тяжёлых молекул, которые осаждаются на подложке (стенке) и карбонизируются. Показано, что в замкнутой системе осаждение некаталитического углерода происходит только в виде сфер диаметром 2 - 4 мкм. В то же время в реакторе проточного типа нк-УНМ может осаждаться из газовой фазы с образованием углеродных нитей диаметром 0,3 - 2 мкм либо пористого слоя в виде хаотично переплетенных нитей. На последней стадии данного этапа работы также были проведены эксперименты по функционализации поверхности УНМ, полученного разложением хлоруглеводородов на Ni-M катализаторах. При помощи рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии установлено, что максимальная концентрация кислородсодержащих групп достигается при высокотемпературной обработке углеродного материала в концентрированной азотной кислоте. По результатам проекта опубликовано три статьи (Catalysis Today; Materials Letters; Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis), и одна принята к печати (Кинетика и Катализ). Результаты работы также были представлены в качестве устных докладов на трёх конференциях: IV Scientific Conference «Boreskov Readings», III Российский конгресс по катализу «Роскатализ-2017», Международный юбилейный конгресс «Фаворский-2017».