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. По разделу 1: Разработаны способы модифицирования углеродных сорбентов биологически активными веществами и исследованы их физико-химические свойства. Выбраны условия адсорбции модификаторов на углеродном сорбенте с целью нанесения оптимального количества биологически активных веществ (трибутирин, салициловая/сульфосалициловая кислота, аминокислоты, сульфаниламид). Изучена десорбция нанесенных модификаторов с поверхности углеродных образцов в физиологическом и спиртовом растворах в статических условиях для оценки возможности пролонгированных свойств. Показано, что образцы сорбентов проявляют высокую адсорбционную способность по отношению к красителю метиленовому голубому, что позволяет прогнозировать эффективность применения сорбентов для общей детоксикации организма. Модифицированный органическими веществами углеродный материал не уступает исходному сорбенту по адсорбционным свойствам в отношении веществ, моделирующих токсичные соединения (метиленовый голубой, метаниловый желтый). Разработанные материалы представляют интерес для вульнеросорбции в качестве медицинского изделия (травмы кожных покровов, слизистой оболочки ротовой полости: раны, ожоги и другие, сопровождающиеся гнойно-воспалительными процессами). По разделу 2: Получены новые данные о формировании структурных, текстурных и электрохимических свойств технического углерода, полученного путем его термогазохимической модификации. Показано, что в случае высокоэнергетичных СК ДЭС, работающих в режиме коротких импульсов и в относительно длительных временных диапазонах, мезо-микропористые НК с максимально возможной поверхностью являются наиболее предпочтительными. 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. Наличие пироуглеродной фазы на поверхности технического углерода повышает его стабильность при циклировании в сернокислотном электролите в составе суперконденсатора двойного электрического слоя. Установлено, что электроды из НК сравнимы с электродами из активного угля (АУ) по удельной емкости (Суд ~ 90-100 Ф/г), и показывают циклическую устойчивость, как у электродов на основе АУ. Размер пор и функциональное состояние поверхности электродов из НК обеспечивают времена заряда и разряда на 25% меньше, чем у электродов из АУ, что важно, как для повышения мощности СК ДЭС, так и для использования НК в СК ДЭС в качестве самостоятельного активного компонента без электропроводящих добавок. По разделу 3: Проведена функционализация печных марок ТУ N326, N375 и П399 сульфоновыми группами, используя реакцию диазотирования in situ. Установлено, что поверхностно анионные группы (-Ar-SO3-) на поверхности ТУ способствуют его диспергированию в воде с последующей стабилизацией водной суспензии. По данным просвечивающей электронной микроскопии показано, что в результате сульфирования не наблюдаются изменения в структуре первичных частиц (глобул) и агрегатов технического углерода. 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. Исследована структура технического углерода (ТУ) после термоокислительного воздействия CO2 и высокотемпературной обработки в Ar. В процессе термоокислительной активации ТУ происходит частичное выгорание как нанокристаллитов, расположенных концентрически, так и менее упорядоченного углерода в центральной части глобул, что приводит к образованию «полых сфер». При последующей высокотемпературной обработке «полых сфер» наблюдается снижение Sуд и возрастание степени структурной упорядоченности графеновых слоев. Полученные углеродные материалы могут быть перспективными в качестве анодов для металл-ионных аккумуляторов. По разделу 4: В результате проделанной работы был отработан одностадийный и двухстадийный способы получения (микро)пористых углеродных материалов из нефтяного асфальта. Установлено, что проведение предварительной термообработки нефтяного асфальта перед его щелочной активацией позволяет эффективно контролировать формирование пористой структуры углеродных материалов. Показано, что после проведения термообработки при 450 °С и последующей активации происходит формированию графитоподобной клеточной структуры. Установлено, что в случае карбонизации нефтяного асфальта наиболее оптимальная температура процесса находится в интервале 500-600 °С 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. Изучено влияние механической активации (МА) смеси нефтяного асфальта и КОН на формирование пористой структуры углеродных материалов. Проведение стадии МА приводит к увеличению всех текстурных характеристик готовых углеродных образцов на 40-50%. Полученные углеродные материалы демонстрируют высокую адсорбционную способность по разделению газовых смесей CO2/CH4/N2, имеющую большое значение в ряде промышленных процессов. По разделу 5: Проведен наноструктурный анализ методом ПЭМ ВР строения первичных частиц исходного электропроводящего технического углерода и модифицированного газохимической обработкой (сверхэлектропроводный) с детализацией морфологических и структурных особенностей на атомном уровне. Установлена взаимосвязь структурности образцов ТУ разного уровня электропроводности, удельного объемного электрического сопротивления порошков ТУ с текстурными характеристиками. Продемонстрированы возможности метода ЭПР и установлено, что помимо графитизации углерод-углеродного композита «Сибунит» повышение температуры обработки выше 1800 °С приводит к формированию существенного количества парамагнитных центров. Разработана методика количественного анализа одно- и двухкомпонентных металлических систем на основе углеродного носителя «Сибунит» и ряда марок ТУ методом АЭС-ИСП и установлена возможность одновременного определения металлов из одной пробы. Проведено исследование микроструктуры электропроводных образцов технического углерода (ТУ) различных марок методами многоволновой спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и рентгеновской дифракции. Установлены взаимосвязи основных структурных характеристик ТУ с электропроводными и адсорбционными свойствами материалов. Обнаружено, что полная ширина на половине высоты (ПШПВ) D1-линии, выделенной из спектров КРС, хорошо коррелирует с удельной электропроводностью исследуемых углеродных материалов. Представленные зависимости перспективны для предсказания и оценки электропроводных свойств новых углеродных материалов.