ГРАФИТЫ И ГРАФИТОПОДОБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В КАЧЕСТВЕ МИКРОВОЛНОВЫХ АКЦЕПТОРОВ В ПРОЦЕССАХ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР
Аннотация
В работе рассмотрен ряд твердых углеродных материалов в качестве веществ-акцепторов, аккумулирующих и преобразующих микроволновую (МВ) энергию в тепловую в процессах синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) с использованием энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля. В роли акцепторов исследованы графиты различных марок, терморасширенный графит (ТРГ), оксиды графита, активированные угли, кокс доменный, сажа. Как предшественник металлического катализатора и донор углерода использовался ферроцен. Эксперименты осуществлялись обработкой МВ излучением частотой 2450 МГц и мощностью 1 кВт смеси материала-акцептора и ферроцена в соотношении 1 : 1. В большинстве опытов процесс сопровождался образованием микродуговых разрядов, приводящих к быстрому росту температуры реакционной смеси. Исследование структуры и морфологии полученных углеродных материалов проводилось методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Обнаружено, что эксперименты с участием большинства изученных микроволновых акцепторов приводят к образованию углеродных наноструктур, состоящих, главным образом, из многостенных углеродных нанотрубок характерной «спичечной» морфологии с диаметрами в интервале 16-90 нм и малослойных графеновых частиц. В продуктах синтеза, помимо основных компонентов, зафиксированы углеродные структуры иной морфологии. Так, в процессах с участием графита МККЗ идентифицированы бамбукообразные УНТ и гигантские углеродные трубки диаметром до 450 нм и длиной до нескольких микрометров. В случае ТРГ зарегистрированы тороидальные нанотрубки, тогда как в реакциях с активированным углем АГ-3 наблюдается образование УНТ спиральной морфологии. Установлено, что исследованные акцепторы демонстрируют высокую микроволновую активность. Найдено, что термотрансформирующие свойства графита, ТРГ и кокса находятся на одном уровне и значительно превышают таковые для активных углей и сажи.
Для цитирования:
Заритовский А.Н., Котенко Е.Н., Грищук С.В., Глазунова В.А., Волкова Г.К. Графиты и графитоподобные материалы в качестве микроволновых акцепторов в процессах синтеза углеродных наноструктур. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 3. С. 64-75. DOI: 10.6060/ivkkt.20256803.7098.
Литература
Kuznetsova T.S., Burakov A.E., Pasko T.V., Burakova I.V., Dyachkova T.P., Memetova A.E. Physico-chemical and sorption properties of nanocomposite aerogels based on modified carbon nanotubes and graphene. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 3. P. 66-76 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Khan Yu.A., Dyachkova T.P., Burakova E.A., Sukhinin A.A., Titov G.A., Degtyarev A.A. Formation of hybrid particles in the interaction of different carbon nanostructures. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 59-65 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.6907.
Vasudev H., Singh G., Bansal A., Vardhan S., Thakur L. Microwave heating and its applications in surface engineering: a review. Mater. Res. Express. 2019. V. 6. N 10. 102001. DOI: 10.1088/2053-1591/ab3674.
Thostenson E.T., Chou T.-W. Microwave processing: fundamentals and applications. Compos. Pt. A: Appl. Sci. Manufacturing. 1999. V. 30. P. 1055-1071. DOI: 10.1016/S1359-835X(99)00020-2.
Chandrasekaran S., Ramanathan S., Basak T. Microwave Material Processing – A Review. AIChE J. 2012. V. 58. N 2. P. 330-363. DOI: 10.1002/aic.12766.
Zhang X., Rajagopalan K., Lei H., Ruan R., Sharma B.K. An overview of a novel concept in biomass pyrolysis: microwave irradiation. Sustain. En. Fuels. 2017. V. 1. P. 1664-1699. DOI: 10.1039/C7SE00254H.
Meredith R.J. Engineers’ Handbook of Industrial Micro-wave Heating. London: IEE. 1998. 380 p. DOI: 10.1049/PBPO025E.
Zlotorzynski A. The application of microwave radiation to analytical and environmental chemistry. Crit. Rev. Anal. Chem. 1995. V. 25. N 1. P. 43-76. DOI: 10.1080/10408349508050557.
Menéndez J.A., Arenillas A., Fidalgo B., Fernández Y., Zubizarreta L., Calvo E.G., Bermúdez J.M. Microwave heating processes involving carbon materials. Fuel Process. Technol. 2010. V. 91. N 1. P. 1-8. DOI: 10.1016/j.fuproc.2009.08.021.
Kim T., Lee J., Lee K.-H. Microwave heating of carbon-based solid materials. Carbon Lett. 2014. V. 15. N 1. P. 15-24. DOI: 10.5714/CL.2014.15.1.015.
Hu H., Zhao Z., Zhou Q., Gogotsi Yu., Qiu J. The role of microwave absorption on formation of graphene from graphite oxide. Carbon. 2012. V. 50. N 9. P. 3267-3273. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.12.005.
Whittaker A.G., Mingos D.M.P. Microwave-assisted solid-state reactions involving metal powders. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1995. N 12. P. 2073-2079. DOI: 10.1039/dt9950002073.
Méndez U.O., Kharissova O.V., Rodríguez M. Synthesis and morphology of nanostructures via microwave heating. Rev. Adv. Mater. Sci. 2003. V. 5. P. 398-402.
Gonzalez E., Gonzalez F. Synthesis of carbon nanotubes by microwave radiation. Univ. Sci. 2008. V. 13. N 3. P. 258-266.
Vivas-Castro J.J., Rueda-Morales G., Ortega-Cervantez G., Ortiz-Lopez J. Preparation of carbon nanotubes with iron nanowires inside using a simple microwave-based method. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2014. V. 25. N 6. P. 2835-2841. DOI: 10.1007/s10854-014-1949-4.
Ortega-Cervantez G., Gomez-Aguilar R., Rueda-Morales G., Ortiz-Lopez J. Microwave-assisted synthesis of sponge-like carbon nanotube arrays and their application in organic transistor devices. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2016. V. 27. N 12. P. 12642-12648. DOI: 10.1007/s10854-016-5397-1.
Guo S., Dai Q., Wan Z., Yao H. Rapid microwave irradiation synthesis of carbon nanotubes on graphite surface and its application on asphalt reinforcement. Compos. Pt. B: Eng. 2017. V. 124. P. 134-143. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.05.033.
Cui L., Han X., Wang F., Zhao H., Du Y. A review on recent advances in carbon-based dielectric system for micro-wave absorption. J. Mater. Sci. 2021. V. 56. N 18. P. 10782-10811. DOI: 10.1007/s10853-021-05941-y.
Verma G., Ray K.P. Design, Fabrication and Characteristics of Eco-Friendly Microwave Absorbing Materials: A Review. IETE Technical Rev. 2022. V. 39. N 4. P. 756-774. DOI: 10.1080/02564602.2021.1927865.
Pentsak E.O., Gordeev E.G., Ananikov V.P. Noninnocent nature of carbon support in metal/carbon catalysts: Etching/pitting vs nanotube growth under microwave irradiation. ACS Catal. 2014. V. 4. N 11. P. 3806-3814. DOI: 10.1021/cs500934g.
Algadri N.A., Hassan Z., Ibrahim K., Bououdina M. Effect of ferrocene catalyst particle size on structural and morphological characteristics of carbon nanotubes grown by microwave oven. J. Mater. Sci. 2017. V. 52. N 21. P. 12772-12782. DOI: 10.1007/s10853-017-1381-2.
Algadri N.A., Ibrahim K., Hassan Z., Bououdina M. Costeffective single-step carbon nanotube synthesis using microwave oven. Mater. Res. Express. 2017. V. 4. N 8. 085602. DOI: 10.1088/2053-1591/aa817b.
Bajpai R., Rapoport L., Amsalem K., Wagner H.D. Rapid growth of onion-like carbon nanospheres in a microwave oven. CrystEngComm. 2016. V. 18. N 2. P. 230-239. DOI: 10.1039/c5ce01785h.
Bajpai R., Wagner H.D. Fast growth of carbon nanotubes using a microwave oven. Carbon. 2015. V. 82. P. 327-336. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.10.077.
Curling M., Collins A., Dima G., Proud W. Progress Towards Microwave Ignition of Explosives. AIP Conf. Proc. 2009. V. 1195. N 1. P. 486-489. DOI: 10.1063/1.3295180.
Liu Y., Guo N., Yin P., Zhang C. Facile growth of carbon nanotubes using microwave ovens: the emerging application of highly efficient domestic plasma reactors. Nanoscale Adv. 2019. V. 1. N 12. P. 4546-4559. DOI: 10.1039/C9NA00538B.
Schwenke A.M., Hoeppener S., Schubert U.S. Synthesis and Modification of Carbon Nanomaterials utilizing Micro-wave Heating. Adv. Mater. 2015. V. 27. N 28. P. 4113-4141. DOI: 10.1002/adma.201500472.
Lee S.-H., Sridhar V., Jung J.-H., Kaliyappan K. Graphene-Nanotube-Iron Hierarchical Nanostructure as Lithium Ion Battery Anode. ACS Nano. 2013. V. 7. N 5. P. 4242-4251. DOI: 10.1021/nn4007253.
Li Z., Yang B., Su Y., Wang H., Groeper J. Ultrafast growth of carbon nanotubes on graphene for capacitive energy storage. Nanotechnology. 2016. V. 27. N 2. 025401. DOI: 10.1088/0957-4484/27/2/025401.
Hu H., Zhao Z., Gogotski Yu., Qui J. Compressible Carbon Nanotube-Graphene Hybrid Aerogels with Superhydrophobicity and Superoleophilicity for Oil Sorption. Environ. Sci. Technol. Lett. 2014. V. 1. N 3. P. 214-220. DOI: 10.1021/ez500021w.
Sridhar V., Lee I., Chun H.-H., Park H. Hydroquinone as single precursor for concurrent reduction and growth of carbon nanotubes on graphene oxide. RSC Adv. 2015. V. 5. N 84. P. 68270-68275. DOI: 10.1039/C5RA09871H.
Nie H., Cui M., Russell T.P. A route to rapid carbon nano-tube growth. Chem. Commun. 2013. V. 49. N 45. P. 5159-5161. DOI: 10.1039/c3cc41746h.
Poyraz S. Microwave energy-assisted fabrication of hierar-chically structured carbon nanotube/carbon fiber composites. Uludag University J. of the Faculty of Engineering. 2016. V. 21. N 2. P. 6-71. DOI: 10.17482/uujfe.33486.
Yoon D.-M., Yoon B.-J., Lee K.-H., Kim H.S., Park C.J. Synthesis of carbon nanotubes from solid carbon sources by direct microwave irradiation. Carbon. 2006. V. 44. N 7. P. 1339-1343. DOI: 10.1016/j.carbon.2005.12.008.
Zhang X., Liu Z. Recent advances in microwave initiated synthesis of nanocarbon materials. Nanoscale. 2012. V. 4. N 3. P. 707-714. DOI: 10.1039/c2nr11603k.
Omoriyekomwan J.E., Tahmasebi A., Zhang J., Yu J. Formation of hollow carbon nanofibers on bio-char during microwave pyrolysis of palm kernel shell. Energy Convers. Manag. 2017. V. 148. P. 583-592. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.06.022.
Yan K., Sun X., Ying S., Cheng W., Deng Y., Ma Z., Zhao Y., Wang X., Pan L., Shi Y. Ultrafast microwave syn-thesis of rambutan-like CMK-3/carbon nanotubes nanocom-posites for high-performance supercapacitor electrode materials. Sci. Rep. 2020. V. 10. 6227. DOI: 10.1038/s41598-020-63204-3.
Asnawi M., Azhari S., Hamidon M.N., Ismail I., Helina I. Synthesis of Carbon Nanomaterials from Rice Husk via Microwave Oven. J. Nanomater. 2018. V. 2018. 2898326. DOI: 10.1155/2018/2898326.
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.
Veloz-Castillo M.F., Paredes-Arroyo A., Vallejo-Espinosa G., Delgado-Jiménez J.F., Coffer J.L., González-Rodríguez R., Mendoza M.E., Campos-Delgado J., Méndez-Rojas M.A. Carbon nanotubes and carbon fibers in a flash: an easy and convenient preparation of carbon nanostru-tures using a conventional microwave. Can. J. Chem. 2019. V. 98. N 1. P. 49-55. DOI: 10.1139/cjc-2019-0244.
