Введение к работе
Актуальность.
Среди наноразмерных частиц особое место занимают углеродные наноструктуры, включающие в себя фуллерены и углеродные нанотрубки (тубулены). С момента их получения были определены основные области применения нанотрубок (электроды в источниках тока, источники водорода, сорбенты и носители катализаторов, высокопрочные композиты, полупроводниковые приборы, полевые эмиттеры, зонды, квантовые проволоки) и началось создание модельных приборов.
Применение углеродных наноструктур определяется их строением, которое, в свою очередь зависит от способа, которым были получены наноструктуры. Разработка неэнергоёмких способов массового производства углеродных наноструктур определяет тенденцию развития этой области на сегодняшний момент.
Решением этих проблем за рубежом занимаются такие фирмы и университеты как Carbon Nanotechnology Inc.и Texas state university (США), NEC Corp. и Sony Corp.(Япония), Sussex University (Великобритания) и ряд др. Широко эта тема рассматривается и отечественными научными организациями: Институт химической физики им Н.Н. Семёнова (Москва), Институт проблем химической физики (Черноголовка), Челябинский государственный университет, Институт катализа им Т.К. Борескова (Новосибирск), Казанский физико-технический институт.
В настоящее время в работах Л.А. Чернозатонского, О.П. Криворучко, Е.Ф. Куковицкого, С.Г. Львова доказана возможность получения углеродных наноструктур, в том числе и нанотрубок, при пиролизе полимеров или в твердофазных процессах с участием графита. Однако процессы, приводящие к образованию наноструктур в конденсированных средах, на границах раздела фаз до сих пор не изучены досконально. Вместе с тем, на наш взгляд, именно этот подход перспективен в силу больших возможностей регулирования строения получаемых наноструктур, что определяет актуальность темы диссертации.
Работа проводилась при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция» за 1999-2001 годы проект А-0014 и в рамках международного проекта INTAS №97-30810.
Цель работы.
Целью работы являлась разработка и исследование низкотемпературного способа синтеза углеродных наноструктур, содержащих переходные металлы, в конденсированных средах. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА I
проанализировать существующие способы синтеза углеродных наноструктур, предлагаемые механизмы их получения и выбрать исходные вещества, катализаторы и метод синтеза углеродных наноструктур;
определить кинетические закономерности формирования углеродных наноструктур на основе эксперимента и квантовохимических расчётов модельных систем;
изучить влияние концентраций исходных реагентов и времени протекания процесса на химический состав, структуру, морфологию и дисперсность продуктов реакции;
исследовать взаимодействие полученных высокодисперсных продуктов с полимерными матрицами и физико-химические свойства полученных материалов с последующей реализацией их в новых композитах.
Научная новизна:
экспериментально изучена кинетика карбонизации ароматических углеводородов, предложен двухстадийный механизм реакции карбонизации и определены эффективные константы скорости и энергии активации каждой стадии;
на основе квантово-химических и молекулярно-динамических расчётов предложена модель процесса карбонизации, согласующаяся с экспериментом.
обнаружено влияние металлов подгруппы железа на повышение степени упорядоченности выделяющегося углерода;
впервые установлен факт независимости состава карбонизированного продукта от времени изотермической выдержки исходного вещества в расплаве катализатора;
разработана методика низкоэнергетического синтеза и очистки ульта-дисперсных углеродных частиц из ароматических углеводородов;.
Практическая значимость:
предложен метод, позволяющий получать углеродные наноструктуры при низких температурах;
определены режимы синтеза, влияющие на получение углеродных наноструктур с заданной структурой;
показано, что полученные продукты при введении в полимерную матрицу повышают температуру вспышки, повышают теплоёмкость Cv полученных из полимеров пенококсов, что может быть использовано при создании эффективных огнезащитных вспучивающихся покрытий.
На защиту выносятся:
1) методика синтеза углеродных наноструктур из ароматических углеводородов;
-
зависимости состава и структуры углеродных наночастиц от содержания переходного металла;
-
кинетические параметры и механизм реакции карбонизации в присутствии ионов никеля;
-
результаты повышения теплозащитных свойств пенококсов, полученных из полимеров, с добавками углеродных наночастиц.
Личный вклад автора заключается в разработке низкотемпературно
го метода синтеза углеродных наноструктур, выработке модельных пред
ставлений для квантовохимических расчётов, определении ни основе
квантово-химических расчётов и экспериментальных данных механизма
карбонизации ароматических углеводородов и использовании полученных
наноструктур для модификации полимерных материалов. Основные ре
зультаты и выводы получены лично автором. . ,
Публикации и доклады по результатам работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и доложены на следующих международных и российских конференциях и семинарах: 16-я научная школа - семинар «Рентгеновские фотоэлектронные спектры и химическая связь». (Москва - Воронеж - Ижевск, 1998 г.); 1-я Всероссийская конференция «Химия материалов и нанотехнология». (Санкт-Петербург 1999 г.); Международный семинар «Фуллерены и атомные кластеры» IWFAC99. (.Санкт-Петербург 1999 г); 2-й Всероссийский Каргин-ский симпозиум «Химия и физика полимеров XXI века». (Черноголовка, 2000 г.); 1-й Всероссийский семинар «Наночастицы и нанохимия» (Черноголовка, 2000 г); Asia-Pacific Surface and Interface Analysis Conference Beijing. (China, October 23-26, 2000 г.); XVIII Научная школа-семинар "Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь. (Воронеж, 2000 г.); Arbeit Angewandte Oberflachenanaly tik. (Leipzig, 2000 г.); I-st International Workshop on Nano-scale Spectroscopy and its applications to Semiconductor Research. (Trieste, Italy, December 11-14, 2000 г.); IV Международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести». (Волгоград, 2000 г.); 7th International Conference «Modern Building Materials. Structures and Techniques» (Vilnius, 2000 г.); Международный семинар «Фуллерены и атомные кластеры» IWFAC2001. (Санкт-Петербург, 1-5 июля 2001 г); 5-я Российская университетско-академическая научно-практическая конференция УдГУ. (Ижевск, 2001 г); 3d International Conference. "Chemistry of high organized Substances and scientific Fundamentals of nanotechnology". (Peterhof- St. Petersburg, 2001 г.).
По материалам диссертации опубликовано 17 научных, работ в международных и отечественных журналах и изданиях, получено 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 141 Страницах и состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы 190 наименований, содержит 17 рисунков, 21 графиков, 24 таблицы.
