Дисперсный углерод и материалы на его основе. Технологии производства и применения в адсорбции и катализе

Цель работы состояла в формировании научных основ получения новых углеродных материалов с улучшенными функциональными свойствами для применения в качестве биосорбентов, сорбентов технического назначения, пигментов и материалов для систем получения и хранения электрической энергии. Важнейшие результаты По разделу 1: Показано, что адсорбция сульфосалициловой кислоты углеродным сорбентом из индивидуального водного раствора описывается уравнением Ленгмюра. В присутствии аминокислот наблюдается полислойная адсорбция, а емкость монослоя снижается за счет конкурентной адсорбции молекул феноло- и аминокислот. Установлено, что в процессе десорбции в течение 48 часов в водный раствор NaHCO3, моделирующий среду кишечника, переходит 68-72% от количества сульфосалициловой кислоты, закреп-ленной на углеродном носителе. В процессе десорбции наблюдается снижение исходного рН растворов на 5,5-6 ед. Показано, что образцы сорбентов, содержащие сульфосалициловую кислоту с добавками аминокислот, проявляют высокую адсорбционную способность по отношению к красителю метиленовому голубому, что позволяет прогнозировать эффективность применения сорбентов для общей детоксикации организма. По разделу 2: Показано, что эксплуатационные характеристики электродных материалов с использованием нанокомпозитов на основе технического углерода в качестве электропроводных и активных компонентов суперконденсаторов не уступают электродным материалам, используемым в промышленной практике. Установлен предел роста ем-кости суперконденсатора для материалов с удельной площадью поверхности до 1500 м2/г. Наличие пироуглеродной фазы на поверхности технического углерода повышает его стабильность при циклировании в сернокислотном электролите в составе суперконденсатора двойного электрического слоя. По разделу 3: Рассмотрен процесс сульфирования технического углерода. По данным просвечивающей электронной микроскопии показано, что в результате сульфирования не наблюдается изменений в структуре первичных частиц (глобул) и агрегатов технического углерода, Увеличение количества групп -SO3Na на поверхности углеродного матеоиала до 2,62 мкмоль/м2 способствует снижению среднего размера агломератов до размера агрегатов, т.е. от 500 до 220 нм. Одновременно по данным лазерной дифракции также наблюдается смещение максимума распределения частиц по размерам от 2,5·105 до 200-500 нм. Это объясняется действием сил электростатического отталкивания, возникающих между частицами технического углерода в результате сульфирования. Изучена термостабильность образцов сульфированного технического углерода для последующей оценки его применения в качестве окрашивающего агента. Показано, что разложение углеродного материала, содержащего на своей поверхности группы -SO3Na, происходит в три этапа при температурах 40-200°С, 400-610°С и 610-780°С, что связано с протеканием процессов дегидратации, десульфирования и декарбоксилирования соответственно. Полученные результаты могут быть полезны при разработке составов чернил для струйной печати. По разделу 4: Температура карбонизации углеродсодержащего сырья является важным фактором, влияющим на свойства конечного пористого углеродного материала. Установлено, что в случае карбонизации нефтяного асфальта наиболее оптимальная температура процесса находится в интервале 500-600ᵒС и способствует дальнейшему формированию микропористых углеродных материалов с высокими значениями удельной поверхности (около 2000 м2/г) и адсорбционной емкости по CO2 (3,3 ммоль/г). Для формирования развитой пористой структуры углеродных материалов, получаемых карбонизацией скорлупы маньчжурского ореха, наиболее эффективна щелочная активация в избытке KOH c последующей отмывкой. В случае углекислотной активации необходимо более продолжительное время обработки. Полученные результаты представляют практический интерес для газоразделительных устройств. По разделу 5: Разработан ряд методических подходов к исследованию структуры наноуглеродных материалов. Проведено исследование изменения структуры углерод-углеродного композита, прокаленного при 1400, 1600, 2000, 2200оС магниторезонансными методами. Продемонстрированы возможности и преимущества метода ЭПР и установлено, что помимо графитизации углерод-углеродного композита повышение темпера-туры обработки приводит к формированию существенного количества парамагнитных центров, предположительно, локализованных парамагнитных дефектов. Показано, что в области давлений от 25 до 175 МПа для модифицированного технического углерода, обладающего повышенными электропроводящими свойствами, в отличие от обычных электропроводящих марок технического углерода, наблюдается уменьшение скорости роста проводимости при увеличении плотности материала, что может быть обусловлено наличием в нем протяженных упорядоченных графитоподобных слоев. Разработана методика количественного анализа одно- и двухкомпонентных металлических систем на основе углеродного носителя Сибунит методом АЭС-ИСП и установлена возможность одновременного определения металлов из одной пробы.