Предложен новый способ получения углеродных нановолокон из хлорорганических соединений

Российские химики разработали новый способ получения углеродных нановолокон из хлорорганического сырья, используя катализатор на основе никеля с добавлением вольфрама. С помощью этого метода можно будет перерабатывать токсичные отходы химического производства, получая из них полезный наноматериал. Исследование опубликовано в журнале Materials.

Углеродные нановолокна — перспективный наноматериал, который специалисты применяют в различных сферах. Такие нановолокна могут добавляться в состав бетона для повышения прочности и трещиностойкости, в смазки для снижения коэффициента трения, а также в полимерные матрицы для придания им электропроводимости и снижения абразивного износа. Обычно углеродные нановолокна химики получают путем пиролиза (разложения) углеводородов в присутствии металлических катализаторов. В качестве сырья для синтеза этих наноматериалов специалисты используют, в частности, хлорорганические соединения, которые часто входят в состав токсичных отходов. Указанным способом может быть решена актуальная задача экологичной переработки таких отходов.

В новом исследовании химики из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН исследовали активность и производительность катализаторов для синтеза нановолокон из хлорорганического сырья — трихлорэтилена (C²HCl³). Они сравнивали чистый никель и его сплав с 4% вольфрама, который ранее показал высокую активность в аналогичном процессе. Ученые провели тщательное исследование этих катализаторов, а также предоставили наглядные снимки электронного микроскопа, отражающие эволюцию никель-вольфрамового катализатора в ходе процесса разложения трихлорэтилена. Оказалось, что исходный массивный сплав при взаимодействии с парами хлоруглеводорода постепенно разрушается с образованием множества активных частиц (от 200 до 500 нм), которые отвечают за рост углеродных наноструктур. Химики также подобрали диапазон температур, оптимальный для работы нового катализатора: 500–700°C. В работе также была подробно охарактеризована необычная структура полученных углеродных нановолокон. Синтезированный наноматериал представляет собой длинные углеродные нити с уникальной сегментной структурой, которая обуславливает его высокую пористость (0.7 см³/г) и большую площадь поверхности (370 м²/г).

Ученые выяснили, что сплав с добавкой вольфрама выполняет каталитические функции эффективнее чистого никеля. Применение Ni-W катализатора позволило в два раза сократить индукционный период — время от момента добавления катализатора до начала выработки углеродного продукта. Кроме того, скорость наработки углеродных волокон повысилась в три раза, когда в роли катализатора выступал сплав никеля с вольфрамом. При этом возрос выход продукта: каждый грамм Ni-W катализатора производил 101 грамм углеродного материала, в то время как чистый никель продуцировал лишь 63 грамма.

Химики также провели длительные испытания (в течение семи часов) двух катализаторов, чтобы выяснить максимально возможную продолжительность их активной работы. Сплав никеля с 4% вольфрама оказался более стабильным, другими словами — более «выносливым». Если активность чистого никеля падала через три часа реакции, то сплав Ni-W поддерживал свою изначальную активность даже спустя семь часов работы. Полученный выход углеродных нановолокон спустя семь часов составил 240 грамм на каждый грамм катализатора, что в два раза выше по сравнению с чистым никелем. Полученные результаты позволяют надеяться на то, что разработанный катализатор на основе сплава никеля с вольфрамом обеспечит в будущем возможность переработки хлорорганического сырья с получением перспективного углеродного материала.

«Исследования в данном направлении будут продолжаться. Необходимо не только исследовать активность и стабильность сплавных катализаторов в модельных реакциях, но и понять причину наблюдаемого синергетического эффекта — то есть ответить на фундаментальный вопрос, почему сплавы никеля работают в реакциях разложения хлоруглеводородов активнее, чем чистый никель; какие добавки наиболее эффективны и почему», — отмечает один из авторов статьи, кандидат химических наук Юлия Руднева.

Исследования проведены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации [проекты № 121031700315-2 и AAAA-A21-121011390054-1]. Исследования методом рентгенофазового анализа проведены на базе ИНХ СО РАН при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 21-13-00414).

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».