Термокаталитический пиролиз молекул СО. Структура и сорбционные характеристики углеродного наноматериала

Abstract

Путем диссоциации молекул СО на железоникелевом катализаторе при температуре 400–550 °С получен углеродный наноконденсат, содержащий многостенные углеродные нанотрубки. Методом рентгеновской дифракции показано, что полученный конденсат содержит две фазы разной плотности и степени упорядоченности. Повышение температуры синтеза приводит к увеличению плотности и уменьшению различия фаз, что связано с ростом бездефектности углеродных слоев и их количества в многостенных углеродных нанотрубках. Проведенные в температурном интервале 7–120 К исследования кинетики сорбции и после-дующей десорбции водорода синтезированными образцами показали, что при понижении температуры от 120 до 65 К для всех исследованных образцов наблюдалось увеличение времен сорбции Н₂, что характерно для термически активированной диффузии. При температуре ниже 65 К характеристические времена сорбции водорода слабо зависели от температуры, что может быть объяснено преобладанием туннельного механизма диффузии над термоактивационным. В температурном интервале 7–20 К наблюдались особенности температурной зависимости характеристических времен, повидимому, связанные с образованием монослоя молекул Н₂ на внутренней поверхности полостей нанотрубок. Зависимость энергии активации диффузии водорода от температуры синтеза образцов хорошо коррелирует с данными, полученными методом рентгеновской спектроскопии: наблюдается возрастание энергии активации по мере увеличения относительного количества высокоупорядоченной углеродной фазы.

Шляхом дисоціації молекул СО на залізонікелевому каталізаторі при температурі 400–550 °С отримано вуглецевий наноконденсат, що містить багатостінні вуглецеві нанотрубки. Методом рентгенівської дифракції показано, що отриманий конденсат містить дві фази різної густини та ступеня впорядкованості. Підвищення температури синтезу призводить до збільшення густини та зменшення різниці фаз, що пов'язано зі зростанням бездефектності вуглецевих шарів та їх кількості в багатостінних вуглецевих нанотрубках. Проведені в температурному інтервалі 7–120 К дослідження кінетики сорбції та подальшої десорбції водню синтезованими зразками показали, що при зниженні температури від 120 до 65 К для всіх досліджених зразків спостерігалося збільшення часів сорбції Н₂, що характерно для термічно активованої дифузії. При температурі нижче 65 К характеристичні часи сорбції водню слабко залежали від температури, що може бути пояснено переважанням тунельного механізму дифузії над термоактиваційним. В температурному інтервалі 7–20 К спостерігалися особливості температурної залежність характеристичних часів, пов'язані, можливо, з утворенням моношару молекул Н₂ на внутрішній поверхні порожнин нанотрубок. Залежність енергії активації дифузії водню від температури синтезу зразків добре корелює з даними, отриманими методом рентгенівської спектроскопії: спостерігається зростання енергії активації в міру збільшення відносної кількості високоупорядкованої вуглецевої фази.

By dissociating CO molecules on an iron-nickel catalyst in a temperature range of 400–550 °C, was obtained a carbon nanocondensate containing multi-walled carbon nanotubes. The x-ray diffraction method shows that the resulting condensate contains two phases of different density and degree of order. An increase of the synthesis temperature leads to increase of density and decrease of the phase difference, which is due to increase in the nondefectiveness of carbon layers and their quantity in multi-walled carbon nanotubes. The studies of the sorption kinetics and the subsequent desorption of hydrogen by synthesized samples in the temperature range of 7–120 K showed that with temperature lowering from 120 to 65 K, an increase in the H₂ sorption characteristic times was observed for all samples, which is indicative for thermally activated diffusion. At temperatures below 65 K, the characteristic times of hydrogen sorption were slightly dependant on temperature, which can be explained by predominance of the diffusion tunnel mechanism over the thermoactivation mechanism. In the temperature range of 7–20 K we observed pecularities of the temperature dependence of the characteristic times, apparently caused by formation of a monolayer of H₂ molecules on the inner surface of the nanotube cavities. The dependence of the activation energy of hydrogen diffusion on the synthesis temperature of the samples correlates well with the data obtained by xray spectroscopy: an increase in the activation energy occurs as the relative amount of the highly ordered carbon phase increases