Исследование влияния формы наноструктурированного углерода на свойства функциональных материалов на его основе

В данном отчете представлены полученные в ходе НИР научные и имеющие прикладной характер результаты этапа «Исследование влияния формы наноструктурированного углерода на структуру, теплофизические и каталитические свойства композитных катализаторов с углеродным теплопроводящим скелетом. Исследование влияния анизотропии сверхдлинных углеродных нанотрубок на взаимодействие со сверхвысокочастотным электромагнитным излучением» работ 2022 года по теме «Исследование влияния формы наноструктурированного углерода на свойства функциональных материалов на его основе». Показано, что кроме физико-химических свойств углерода как элемента, важнейшими параметрами при его использовании является совокупность структурных характеристик, т.е форма углерода (графеновые слои, образующиеся при пиролизе газа углеродные наноразмерные объекты луковичной структуры, объёмные единичные или плотноупакованные волокна и их морфология, одно- и многостенные нанотрубки различной длины…). В рамках создания эффективных, селективных и высокопроизводительных катализаторов синтеза Фишера–Тропша на базе носителей с повышенной теплопроводностью за счет генерации перколяционной сети из графита не отменяется вопрос дальнейшего их усовершенствования с оптимизацией массообмена при сохранении или увеличении съема тепла, генерируемого сильно экзотермичной реакцией получения углеводородов. Очевидным потенциальным решением для снижения диффузионных ограничений является использование систем, в которых активный компонент катализатора располагается не на внутренней поверхности поры, а на внешней поверхности пористого структурированного монолита, микроканального реактора или углеродного волокна (нановолокна), наноуглеродного войлока. В отличие от многочисленных публикаций, в которых основным способом получения такого рода катализаторов служит генерация наноуглеродных волокон на развитой поверхности неорганического носителя с последующей пропиткой активными в синтезе металлами, нами изучены системы на базе непористого углеродного волокна, модифицированного при декорировании оксидом алюминия . Углеродные волокна становятся материалом нового поколения для применения во многих отраслях современной промышленности и наукоемкого машиностроения (в том числе в композиционных материалах с разнообразными физическими и физико-механическими свойствами) благодаря их высокой прочности, хорошей электро- и теплопроводности, а также малому удельному весу, низкому коэффициенту теплового расширения и другим уникальным свойствам. Особое внимание уделяется полученным из нефтяных и каменноугольных пеков УВ в связи с широкими возможностями регулирования морфологии, состава, внутренней структуры и доступной стоимостью. Это определяет их возможное использование в качестве высокомодульного и прочного армирующего наполнителя композитов, носителя катализаторов, молекулярного сита для разделения паров, газов, накопителей метана/водорода, литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и др. УВ на основе ПАН и пека рассматриваются как основной компонент современных композиционных материалов. Причём, по сравнению с ПАН, пековые УВ обладают более высокой потенциальной механической прочностью, лучшими физическими (тепло- и электропроводностью) свойствами. Значительные улучшения могут быть достигнуты как путем варьирования технологических параметров процесса получения (температуры карбонизации, графита и др.), так и состава исходного материала путем введения различных микро- и наноструктурированных компонентов. Модификация внутренней структуры УВ различными углеродными наноматериалами (сажей, фуллеренами, нанотрубками и графеном) представляет большой интерес и позволяет селективно улучшать свойства композитов. Однако, так как значительные межмолекулярные взаимодействия затрудняют гомогенное распределение УНТ при смешивании со связующим, достижение этого результата является сложной технологической задачей. УНТ имеют склонность к образованию агломератов, что приводит к образованию локальных неоднородностей в результирующих свойствах УВ. Равномерное распределение УНТ в материале УВ является необходимым условием для применения наноматериалов этого типа. С этой точки зрения было перспективно попробовать использовать более длинные и сверхдлинные углеродные нанотрубки (например, двухстенные УНТ), которые не так склонны к агрегации. Изучение формирования и физико-химических (структурные, прочностные, теплопроводящие) свойств таблетированного носителя (связующее –бемит и продукты его термических превращений) в качестве основы катализатора СФТ показало эффективность использования многослойного графена (чешуйчатого графита) в гибридной смеси в качестве источника перколяционной сети для теплоотвода. На данном этапе работы также было исследовано влияние введения углеродных материалов (терморасширенный графит, элементный графит, коллоидный графит, канальная сажа, углеродные нанотрубки) в состав композита для создания теплопроводящего катализаторного слоя и на физико-химические и каталитические свойства полученных кобальтсодержащих систем. Весьма перспективным прикладным направлением исследовательских работ является создание электрохимических сенсоров биомедицинского назначения. Для этого необходимо нанесение электропроводящей пасты с целью создание электрода,в котором протекают соответствующие окислительные реакции. Основным трендом при этом является модифицирование коммерчески доступной проводящей графитовой пасты добавлением в её состав различных материалов, самыми распространёнными из которых в ряду неметаллических наполнителей являются технический углерод, стеклоуглерод, графит, углеродные нанотрубки и графен. С этой точки зрения терморасширенный графит (ТРГ) обладающий низкой величиной электрического сопротивления, термической устойчивостью и также необходимой химической инертностью к рабочей среде становится весьма перспективным материалом для изготовления графитовых электродов, полученных методом трафаретной печати. Однако из-за низкой плотности ТРГ высококачественная трафаретная печать электродов на его основе затруднительна. Решением указанной проблемы может стать введение в пасту на основе ТРГ дополнительных углеродных материалов, что и было изучено в рамках данного этапа исследований. Применение в качестве наполнителей композиций углеродных материалов разных форм и генезиса , ( в том числе, полученных методом флоат-катализа из газового потока и образующиеся при пиролизе газа углеродные наноразмерные объекты луковичной структуры) позволило существенно улучшить целевые потребительские свойства этих систем, упростить и сделать более дешёвой технологии получения, а также реализовать качественно новые результаты. Причём, наблюдается преимущество объектов луковичной структуры перед нанотрубками в качестве сверхгидрофобных покрытий в связи с существенно меньшей себестоимостью получения, а также набором уникальных физико-химических свойств, обеспечивающих доступность их квази-сферической поверхности. Ряд композиций могут быть использованы для изготовления электропроводящих углепластиков различного (и не только гражданского) назначения, сверхгидрофобных покрытий.