Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Porowaty węgiel grafityzowany otrzymywany techniką zol-żel

Kiciński W.

Inżynieria Materiałowa

|

2011

|

Vol. 32, nr 2

115-121

PL

Wykorzystując technikę zol-żel podjęto próbę syntezy materiału węglowego o dobrze rozwiniętej strukturze porowatej, dużej wartości powierzchni właściwej i możliwie wysokim stopniu grafityzacji. Materiały takie mają unikatową kombinację właściwości fizykochemicznych i powierzchniowych - - wysoką przewodność elektryczną i termiczną, odporność na korozję chemiczną, stabilność termiczną, trwałość mechaniczną, małą gęstość, a przy tym mogą być otrzymywane z tanich i szeroko dostępnych surowców. Mogą więc znaleźć zastosowanie jako materiał elektrodowy w elektrochemicznych zasobnikach energii. Pierwotną strukturę porowatą materiału formowano na etapie syntezy zol-żel i zachodzącej w wyniku polikondensacji rezorcyny i furfuralu separacji faz. Porowatość rozwijano, dodatkowo stosując w roli matrycy koloidalną krzemionkę. Syntezę prowadzono w wodno-metanolowym roztworze chlorku niklu(II) pełniącego rolę prekursora katalizatora grafityzacji. Otrzymany w procesie zol-żel kserożel organiczny poddawano karbonizacji w temperaturze 1050°C, w wyniku czego następowała karbotermiczna redukcja NiCl2, grafityzacja matrycy węglowej i reorganizacja pierwotnej struktury porowatej kserożelu. Otrzymany w procesie pirolizy kompozyt kserożel węglowy/nikiel/krzemionka poddawano wymywaniu w kwasie fluorowodorowym. W wyniku takiego oczyszczania otrzymywano czysty materiał węglowy - zwany dalej kserożelem węglowym. Obecną w matrycy kserożelu węglowego fazę amorficzną usuwano następnie poprzez selektywne utlenianie w powietrzu w temperaturze 460°C. Powodowało to drastyczny spadek całkowitej objętości porów, redukcję wartości SBET oraz utratę wytrzymałości mechanicznej materiału. Otrzymane materiały węglowe analizowano za pomocą technik: SEM, XRD, niskotemperaturowej fizysorpcji azotu i TG-DTA. Przeprowadzono analizę porównawczą morfologii i struktury materiału węglowego przed i po procesie selektywnego utleniania fazy amorficznej węgla.

EN

The sol-gel process is applied to obtain nanoporous carbon material with both high surface area and high graphitization degree. Carbon materials characterized by 3D meso-, macroporous structure, well graphitized framework and large surface areas exhibit extraordinary performance as electrocatalyst supports and electrode materials (e.g. for fuel cells, double-layer capacitors and lithium ion batteries). The presence of well-interconnected meso- and macropores allows reduced diffusional limitations often occurring in classical carbon-supported catalysts, while the graphitization of the carbon matrix improves its electrical conductivity (Fig. 1). Graphitic nanoporous carbon was obtained via pyrolysis of organic xerogel doped with nickel(II) chloride (Fig. 2). Doping was realized through chloride solubilization in a water-methanol solution of resorcinol and furfural. During carbonization of the doped organic xerogel in 1050°C, metallic nanoparticles that catalyze the formation of graphitic structures were generated. The possibility of enhancing the porosity of the xerogel via templating with colloidal silica was investigated. The removal of the metal and silica templates leads to monoliths of carbon xerogel characterized by multimodal porosity with substantially enhanced mesoporosity resulting in a SBET of 268 m2/g (Tab. 1). Next, a selective-combustion process was used on the bulk carbon material produced by this solid-state synthesis process, yielding purified graphitic nanostructures. Removal of the amorphous carbon by a selectivecombustion process significantly reduced the material's mesoporosity and SBET, also causing loss of its mechanical strength. The carbon xerogel samples before and after selective-combustion were investigated by means of SEM (Fig. 3), XRD (Fig. 4), N2 physisorption (Fig. 5 and 6), and TG-DTA (Fig. 7). The results obtained for both materials were then compared.

2

Właściwości strukturalne kserożeli węglowych otrzymywanych poprzez katalityczną grafityzację kserożeli rezorcynowo-furfuralowych

Kiciński W.

Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej

|

2011

|

Vol. 60, nr 2

339-377

PL

Przedstawiono charakterystykę porowatych materiałów węglowych o zróżnicowanym stopniu grafityzacji otrzymywanych poprzez pirolizę kserożeli organicznych impregnowanych chlorkami Fe(II), Ni(II), Co(II) i Cu(II). Impregnowane żele organiczne otrzymywano metodą zol-żel poprzez zachodzącą w wodno-metanolowym roztworze chlorków metali kondensację i polimeryzację rezorcyny i furfuralu. W wyniku karbonizacji żeli organicznych otrzymywano układy kompozytowe: kserożel węglowy-metal przejściowy. Generowane na etapie karbonizacji metale powodowały katalityczną grafityzację amorficznych kserożeli węglowych. Po usunięciu cząstek metali z węglowej matrycy uzyskiwano grafityzowane kserożele węglowe o multimodalnej strukturze porowatej z silnie rozwiniętą mezoporowatością. W pracy przeanalizowano wpływ składu mieszaniny wyjściowej (m.in. zawartość i rodzaj chlorku metalu, zawartość metanolu) i temperatury karbonizacji na stopień grafityzacji i strukturę porowatą otrzymywanych kserożeli węglowych. Spośród zastosowanych chlorków najbardziej efektywnym prekursorem katalizatora grafityzacji okazał się chlorek żelaza(II). Badano również możliwość dodatkowego rozwinięcia mezoporowatości kserożeli poprzez zastosowanie roztworów koloidalnej krzemionki. Otrzymane materiały analizowano przy użyciu technik: SEM, TEM, XRD, TG, spektroskopii Ramana (RS) i niskotemperaturowej adsorpcji azotu.

EN

Carbon xerogels with various degrees of graphitization were obtained via pyrolysis of organic xerogels doped with metal (Fe, Ni, Co, Cu) chlorides. Doping was realized through chloride solubilization in a water-methanol solution of resorcinol and furfural. During the carbonization of the doped organic xerogels, metallic nanoparticles that catalyze the formation of graphitic structures were generated. The removal of metal leads to carbon xerogels characterized by multimodal porosity with substantially enhanced mesoporosity. Higher pyrolysis temperatures significantly decreased microporosity by enhancing the degree of graphitization of the carbon xerogels created. The possibility of enhancing the porosity of xerogels via templating with colloidal silica was also investigated. Among the investigated salts, iron(II) chloride seems to be the best precursor of graphitization catalyst. The carbon xerogels obtained were investigated by means of TEM, XRD, SEM, Raman spectroscopy, N₂ sorption, and TGA.

3

Badanie możliwości zastosowania kserożelu węglowego jako nośnika żelazowego katalizatora spaleniowej syntezy nanorurek węglowych

Kiciński W., Lasota J.

Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej

|

2011

|

Vol. 60, nr 4

119-138

PL

Przedstawiono analizę mikroskopową produktów spalania mieszanin węglika wapnia, azydku sodu i heksachloroetanu z dodatkiem kserożelu węglowego impregnowanego żelazem. Kserożel węglowy otrzymywano w wyniku karbonizacji kserożelu rezorcynowo-furfuralowego zawierającego skompleksowane z rezorcyną żelazo. Karbonizację realizowano w temperaturach 600-1050°C. Spalanie mieszanin prowadzono w stalowym reaktorze w atmosferze argonu pod ciśnieniem początkowym 1 MPa. Nanorurki węglowe znajdowano jedynie w produktach spalania obecnych w tyglu, w którym umieszczano spalane próbki, nie obserwowano ich w produktach zebranych ze ścian reaktora. Na podstawie obserwacji SEM wywnioskowano, że wzrost nanorurek przebiega najprawdopodobniej według mechanizmu końcówkowego w wyniku heterogenicznej katalizy za pomocą osadzonych na kserożelu ziaren Fe. Nie zaobserwowano wyraźnego związku między temperaturą karbonizacji kserożelu a wydajnością i morfologią powstających na drodze syntezy spaleniowej nanorurek węglowych.

EN

Reactions between calcium carbide and hexachloroethane in the presence of sodium azide are exothermic enough to proceed at a high temperature, self-sustaining regime. Combustion of the mixtures was performed in the presence of the Fe-doped carbon xerogel as a catalyst of carbon nanotubes growth. The carbon xerogel was prepared through carbonization of an iron doped organic xerogel at temperatures in a range of 600-1050°C. Combustion reactions were conducted in a stainless steel reactor - calorimetric bomb - under initial pressure of 1 MPa of argon. Reactions were carried out in a graphite crucible. Scanning electron microscopy analysis of the combustion products recovered from the crucible revealed small yield of carbon fibers (most likely nanotubes), which grew via tip-grown mechanism. In the outer area of the reactor, dusty products with soot-like morphology dominated. The correlation between pyrolysis temperature of the carbon xerogel and morphology of catalyzed-grown nanofibers was not observed.