Ученые разработали самоорганизующийся никель-медный катализатор для получения углеродных нановолокон и металл-углеродных композитов

Российские химики разработали самоорганизующийся катализатор на основе никеля и показали, что добавка меди повышает его производительность в синтезе углеродных нановолокон. Модифицированный катализатор более устойчив к высоким температурам и позволяет повысить выход продукта до 2,5 раз. Полученные нановолокна могут использоваться как модифицирующие добавки в бетон, полимеры и смазочные материалы. Исследование опубликовано в журналах Journal of Carbon Research и Journal of Composites Science.

Сегодня в науке и промышленности значительное внимание уделяется углеродным наноматериалам, таким как нанотрубки и нановолокна. Последние дешевле нанотрубок и считаются перспективной наноармирующей добавкой в строительные материалы на основе цементного камня. Кроме того, углеродные нановолокна уже подтвердили свою эффективность в качестве антифрикционного агента, улучшающего характеристики смазок и масел. Особенно интересны композиты углеродных наноматериалов с металлами, которые могут использоваться в электронике, в катализе, а также использоваться для модифицирования полимеров

Ученые из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН РАН и Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (в сотрудничестве с Институтом физики им. Л. В. Киренского СО РАН) разработали простой и эффективный способ синтеза самоорганизующегося катализатора, используемого для получения углеродных нановолокон и металл-углеродных композитов методом каталитического пиролиза углеводородов. Предшественник катализатора для синтеза нановолокон химики получают методом механохимического сплавления никеля и меди в планетарной мельнице. Под воздействием больших ударных нагрузок металлические частицы быстро взаимодействуют, образуя сплав. Разработанный способ является одностадийным и полностью безотходным.

При дальнейшем контакте с реакционной средой (углеводороды) полученный сплав спонтанно диспергируется с образованием большого количества активных наночастиц — центров роста углеродных нитей. В своей работе химики исследовали влияние добавки меди на активность и стабильность никелевого катализатора. В ходе работы авторы рассмотрели влияние катализаторов на скорость синтеза при разной температуре (450-600°C), а полученный углеродный продукт охарактеризовали с помощью электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния. В результате исследователи выяснили, что введение меди делает никелевый катализатор более стабильным при высоких температурах. Катализатор из чистого никеля переставал работать при 600°C, тогда как такой же катализатор с добавкой меди в этот момент только достигал пика своей производительности. Выход углеродного продукта при этой температуре превысил 100 грамм на каждый грамм никель-медного катализатора, что в 1,5-2,5 раза выше, чем при использовании чистого никеля.

Углеродные нановолокна, полученные при использовании разных катализаторов, немного отличались по своей структуре. Если в процессе пиролиза химики применяли чистый никель, то нановолокна получались сегментированными, по структуре напоминающими железнодорожные шпалы из-за слабо связанных между собой фрагментов графита. При использовании никель-медного катализатора структура углеродных нитей становились более плотной, при этом возрастала площадь поверхности (до 210 м²/г) и объем пор материала. Сам углеродный продукт при этом имеет очень низкую насыпную плотность (всего 25-30 г/л), что во многом будет способствовать его успешному применению на практике в качестве модифицирующей добавки в композиционные материалы.

По мнению одного из авторов работы, кандидата химических наук Ильи Мишакова, предложенный катализатор также поможет решить проблему переработки попутного нефтяного газа, направляемого на факельное сжигание. В результате переработки углеводородов можно будет получать углеродные нановолокна и металл-углеродные композиты на их основе. Такие материалы сегодня представляют значительный интерес для создания новых долговечных бетонов и эффективных смазок. Такие материалы также можно применять в роли нанесенного катализатора для различных процессов гетерогенного катализа.

Исследования проведены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации [проект № AAAA-A21-121011390054-1]. Характеризация образцов физико-химическими методами анализа проведена при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 22-13-00406).

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