ОСОБЕННОСТИ УГЛЕРОДА С ЛУКОВИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ, ПОЛУЧЕННОГО В ПРОЦЕССЕ ПАРЦИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

  • Dmitry S. Lugvishchuk Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Aida R. Karaeva Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Nikita V. Kazennov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Eduard B. Mitberg Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Vladimir Z. Mordkovich Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216412.3y
Ключевые слова: углерод с луковичной структурой, парциальное окисление, спектроскопия комбинационного рассеяния, транс-полиацетилен

Аннотация

Исследованы структурные и физические свойства углерода с луковичной структурой, полученного в процессе парциального окисления природного газа при различных мольных соотношениях сырьевых газов кислород/природный газ. Установлено, что при увеличении мольного соотношения кислород/природный газ с 0,650 до 0,750 возрастает термическая стабильность углерода с луковичной структурой с 520 до 620 °C. В образце углерода с луковичной структурой, полученном при мольном соотношении кислород/природный газ – 0,750 в интервале температур от 680 до 750 °C, показано наличие фазы углерода, устойчивой к окислению. Межплоскостное расстояние (d002) в полученном углероде с луковичной структурой составляло 0,341 нм. На спектрах комбинационного рассеяния света, на частоте сдвига 1164 см-1, в образцах углерода с луковичной структурой, синтезированных при температурах ниже 1500 °С, обнаружены следы транс-полиацетилена. В результате деконволюции спектра также обнаружен парный пик на частоте сдвига 1480 см-1. Следов транс-полиацетилена в продуктах, полученных при температуре синтеза более 1550 °С, не было зафиксировано. Термическая обработка полученного углерода с луковичной структурой, осуществлённая при 320 °С в атмосфере воздуха, приводила к почти полному удалению данных примесей. Данные спектроскопии комбинационного рассеяния света показали, что увеличение концентрации кислорода в сырьевой смеси приводит к росту соотношения интенсивностей пиков ID/IG от 0,815 до 0,849. Дифракционная картина углерода с луковичной структурой соответствовала дефектной графитированной структуре. Удельная площадь поверхности углерода с луковичной структурой варьировалась от 80 до 100 м2/г. Получение углерода с луковичной структурой в процессе парциального окисления природного газа в синтез-газ, необходимый для ряда «нисходящих» процессов, обеспечивает высокий выход углерода с луковичной структурой как субпродукта высокой добавленной стоимости при низких производственных затратах.

Литература

Zeiger M., Jäckel N., Mochalin V.N., Presser V. Review: Carbon onions for electrochemical energy storage. J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. N 9. P. 3172–3196. DOI: 10.1039/c5ta08295a.3.

Jiang L., Wang Z., Geng D., Lin Y. Structure and elec-tromagnetic properties of both regular and defective on-ion-like carbon nanoparticles. Carbon. 2015. V. 95. P. 910–918. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.09.016.

Zhang L., Zhou Q., Zhao H., Ruan C. The arc-discharged Ni-cored carbon onions with enhanced microwave absorption performances. Mater. Lett. 2020. V. 265. P. 127408. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.127408.

Zheng Y., Ma Y., Tao Q., Li Y. Pressure induced struc-tural transition of small carbon nano-onions. RSC Adv. 2016. V. 6. N 4. P. 2914–2919. DOI: 10.1039/C5RA24720A.

Xiao J., Ouyang G., Liu P., Wang C.X. Reversible Nanodiamond-Carbon Onion Phase Transformations. Nano Lett. 2014. V. 14. N 6. P. 3645–3652. DOI: 10.1021/nl5014234.

Tkachev E.N., Romanenko A.I., Zhdanov K.R., Anikeeva O.B. Electrophysical Properties of Onion-Like Carbon. Russ. Phys. J. 2016. V. 59. N 2. P. 171–176. DOI: 10.1007/s11182-016-0756-1.

Zhao H., Shi Q., Han Z., Gong H. Anomalous thermal stability in supergiant onion-like carbon fullerene. Carbon. 2018. V. 138. P. 243–256. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.06.012.

Choucair M., Stride J.A. The gramscale synthesis of carbon onions. Carbon. 2012. V. 50. N 3. P. 1109–1115. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.10.023.

Sawant S.Y., Somani R.S., Panda A.B., Bajaj H.C. Formation and characterization of onions shaped carbon soot from plastic wastes. Mater. Lett. 2013. V. 94. P. 132–135. DOI: 10.1016/j.matlet.2012.12.035.

Garcia-Martin T., Rincon-Arevalo P., Campos-Martin G. Method to obtain carbon nano-onions by pyrolisys of propane. Open Phys. 2013. V. 11. N 11. P. 1548–1558. DOI: 10.2478/s11534-013-0294-1.

Manawi Y.M., Ihsanullah, Samara A., Al-Ansari T. A review of carbon nanomaterials’ synthesis via the chemi-cal vapor deposition (CVD) method. Materials. 2018. V. 11. N 5. DOI: 10.3390/ma11050822.

Ruan C., Li Z., Zhang D., Yuan X. A scalable chemical vapor deposition synthesis of high purity hollow carbon onions. Carbon. 2020. V. 161. P. 622–628. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.01.074.

Karaeva A.R., Urvanov S.A., Kazennov N.V., Mitberg E.B., Mordkovich V.Z. Features of carbon nanotubes obtained in presence of metallocenes of group VIII elements. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 4-9 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.6у.

Khan K., Tareen A.K., Aslam M., Zhang Y. Facile Synthesis of Mayenite Electride Nanoparticles Encapsulated in Graphitic Shells Like Carbon Nano Onions: Non-noble-metal Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction (ORR). Front. Chem. 2020. V. 7. N January. DOI: 10.3389/fchem.2019.00934.

Mohapatra D., Badrayyana S., Parida S. Facile wick-and-oil flame synthesis of high-quality hydrophilic onion-like carbon nanoparticles. Mater. Chem. Phys. 2016. V. 174. N November 2017. P. 112–119. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2016.02.057.

Mohapatra D., Dhakal G., Sayed M.S., Subramanya B. Sulfur Doping: Unique Strategy To Improve the Supercapacitive Performance of Carbon Nano-onions. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11. N 8. P. 8040–8050. DOI: 10.1021/acsami.8b21534.

Sun W., Zhang X., Jia H.R., Zhu Y.X. Water-Dispersible Candle Soot–Derived Carbon Nano-Onion Clusters for Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy. Small. 2019. V. 15. N 11. P. 1–13. DOI: 10.1002/smll.201804575.

Li C., Li M., Wang X., Feng W. Novel carbon nanoparticles derived from biodiesel soot as lubricant additives. Nanomaterials. 2019. V. 9. N 8. DOI: 10.3390/nano9081115.

Luo N., Xiang J.X., Shen T., Liang H. One-step gas-liquid detonation synthesis of carbon nano-onions and their tribological performance as lubricant additives. Diam. Relat. Mater. 2019. V. 97. N June. P. 107448. DOI: 10.1016/j.diamond.2019.107448.

Lugvishchuk D.S., Kulchakovsky P.I., Mitberg E.B., Mordkovich V.Z. Soot Formation in the Methane Partial Oxidation Process under Conditions of Partial Saturation with Water Vapor. Pet. Chem. 2018. V. 58. N 5. P. 427–433. DOI: 10.1134/S0965544118050109.

Lugvishchuk D.S., Mordkovich V.Z., Mitberg E.B., Karaeva A.R. Natural gas partial oxidation process as a way to synthesize onion-like carbon. Fullerenes, Nanotub. Carbon Nanostructures. 2020. V. 28. N 4. P. 250–255. DOI: 10.1080/1536383X.2019.1697681.

Eseev M.K., Kapustin S.N., Lugvishchuk D.S., Mordkovich V.Z. A Superhydrophobic Coating Based on Onion-Like Carbon Nanoparticles. Tech. Phys. Lett. 2020. V. 46. N 11. P. 1120–1123. DOI: 10.1134/S1063785020110206.

Lugvishchuk D.S., Mitberg E.B., Kulnitskiy B.A., Skryleva E.A. Irreversible high pressure phase transformation of onion-like carbon due to shell confinement. Di-am. Relat. Mater. 2020. V. 107. P. 107908. DOI: 10.1016/j.diamond.2020.107908.

Borgohain R., Yang J., Selegue J.P., Kim D.Y. Controlled synthesis, efficient purification, and electrochemical characterization of arc-discharge carbon nano-onions. Carbon. 2014. V. 66. P. 272–284. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.09.001.

McDonough J.K., Gogotsi Y. Carbon Onions: Synthesis and Electrochemical Applications. Interface Mag. 2013. V. 22. N 3. P. 61–66. DOI: 10.1149/2.F05133if.

Huang Q., Yu D., Xu B., Hu W. Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability. Nature. 2014. V. 510. N 7504. P. 250–253. DOI: 10.1038/nature13381.

Obraztsova E.D., Fujii M., Hayashi S., Kuznetsov V.L. Raman identification of onion-like carbon. Carbon. 1998. V. 36. N 5–6. P. 821–826. DOI: 10.1016/S0008-6223(98)00014-1.

Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond–like carbon, and nanodiamond. Philos. Trans. R. Soc. London. Ser. A Math. Phys. Eng. Sci. 2004. V. 362. N 1824. P. 2477–2512. DOI:10.1098/rsta.2004.1452.

Liu P., Li Z., Roberts W.L. The growth of PAHs and soot in the post-flame region. Proc. Combust. Inst. Elsevier Inc. 2019. V. 37. N 1. P. 977–984. DOI: 10.1016/j.proci.2018.05.047.

Ito T., Shirakawa H., Ikeda S. Thermal cis–trans isomerization and decomposition of polyacetylene. J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 1975. V. 13. N 8. P. 1943–1950. DOI: 10.1002/pol.1975.170130818.

Опубликован
2021-11-18
Как цитировать
Lugvishchuk, D. S., Karaeva, A. R., Kazennov, N. V., Mitberg, E. B., & Mordkovich, V. Z. (2021). ОСОБЕННОСТИ УГЛЕРОДА С ЛУКОВИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ, ПОЛУЧЕННОГО В ПРОЦЕССЕ ПАРЦИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 64(12), 41-47. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216412.3y
Выпуск
Том 64 № 12 (2021)
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)