Zherebtsov Dmitry: Блог

Разрабатываемый нами метод синтеза нанопористых стеклоуглеродных материалов (углеродной нанопены), включает термолиз модифицированных поверхностно-активным веществом и органическим растворителем фурановых смол (см. наши статьи: на этом сайте http://rusnor.org/pubs/articles/10334.htm, в журнале «Наноиндустрия» за апрель 2014, в журнале «Перспективные материалы» 2012 №6 С.87-89). Роль порообразователей здесь играют ПАВ и растворитель, изменяя концентрацию которых на стадии синтеза, оказывается возможным управлять бимодальной пористостью. В результате получается твердое нанопористое тело (поры 1-20 нм), в котором капли пористого углерода размером 1-3 мкм связаны друг с другом мостиками в пространственные сетки с размером макропор 1-3 мкм, что обеспечивает быстрый доступ внутрь материала молекул газов и жидкостей. Важной отличительной чертой новых материалов является однородность распределения размеров и формы макро- и нанопор.

Такая морфология материала придает ему ряд новых свойств:
1. Низкая кажущаяся плотность материала: 0,6-0,8 г/см3. Низкая теплопроводность.
2. Высокая общая пористость: 40-60 %.
3. Высокая упругость и прочность. Предельная прочность одного из образцов составила 60 МПа, упругие деформации при разрушении 1,8 % модуль упругости 3,1 ГПа.
4. Развитая площадь поверхности пор: 150-400 м2/г.
5. Высокая адсорбционная емкость: 15-30 г бензола на 100 г материала.
6. Высокая проницаемость для газов и жидкостей. Вода впитывается в материал как в губку.
7. Недавние еще не опубликованные измерения показали, что при частотах выше 1 МГц диэлектрическая проницаемость нашего материала оказывается менее единицы, что может быть использовано в радиочастотных электронных устройствах.

На нескольких образцах показано, что на этапе синтеза регулированием соотношения компонентов возможно плавно управлять размером пор и соответствующими физическими свойствами материала. Исследования и синтез новых образцов продолжаются. В 2011 году несколько образцов наших материалов были направлены в Технологический университет Лаппеенранты (Финляндия) для измерения их магнитных свойств. Результаты были доложены на международных конференциях и в печатной работе (Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012. V. 12 P. 9156-9162).

Возможность производить объемные блочные образцы материала (к настоящему времени 20х30х30 мм) является важным преимуществом разрабатываемой технологии, а также облегчает дальнейшее исследование свойств. В перспективе нет принципиальных сложностей в создании монолитных изделий из данных материалов, имеющих сложные формы (пластины, диски, трубы, стаканы) с толщиной стенок 20-30 мм.

По ряду свойств новые материалы могут быть сравнены с активированными углями и могут иметь сходные области применения. Тем не менее, природные активированные угли не могут быть приготовлены в такой монолитной, изотропной и однородной форме с надежно регулируемыми структурой и свойствами.

Нанопористые углеродные материалы обладают высокой удельной поверхностью, химической инертностью по отношению к большинству химических веществ, достаточной электропроводностью. Такое сочетание свойств оптимально для применения их как электродов для конденсаторов сверхвысокой емкости, электрохимических и топливных ячеек, как адсорбентов, молекулярных сит, мембран, катализаторов и носителей для частиц катализаторов.

В материал с минимальным изменением технологии оказывается возможным вводить на стадии синтеза добавки, позволяющие получать стеклоуглеродные наноматериалы с наночастицами диоксида титана (размером 5-20 нм и более). Аналогично созданы материалы с наночастицами золота, серебра, оксидов железа, кобальта, никеля, меди (размером 20-100 нм и более). Такие композитные материалы приобретают дополнительные свойства, способные найти применение в катализе в органическом синтезе, в электрохимических, фотохимических и фотогальванических устройствах, в сенсорах, чувствительных к различным веществам.

При оценке стоимости производства углеродной нанопены можно ориентироваться на стоимость реактивов: для получения 1 кг углеродной нанопены затрачивается 7 кг реагентов общей стоимостью 800-1000 рублей. Всего ожидаемая цена 1 кг нанопены при производстве 100 кг/месяц составит 7000-10000 руб.

По каждому прикладному направлению для внедрения в существующую технологию (или для создания новой технологии) требуются исследования/тестирования наших материалов на местах, чтобы в этом направлении стало возможным и выгодным использовать углеродную нанопену. Для расширения исследований мы начали новую серию синтеза 27 образцов (несколько отличающихся по составу и свойствам), каждый массой по 12 г. Данные образцы будут готовы в июле 2014 года и будут иметь форму диска диаметром около 30 мм и высотой около 30 мм. Из этих образцов мы вырежем прямоугольные пластины 10х10х3 мм, которые сможем предоставлять заинтересованным лабораториям и организациям для определения применимости наших материалов в их устройствах и технологиях. Результаты измерений в сторонних организациях могут, вместе с нашими данными о синтезе и структуре углеродной нанопены, быть использованы для последующих совместных научных публикаций.

Мы открыты для контактов и предложений.

Дмитрий Анатольевич Жеребцов
к.х.н., инженер кафедры физической химии ЮУрГУ, инженер Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ЮУрГУ.
http://nano.susu.ac.ru/