Способ синтеза углерод-минерального композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию - RU2690464C1

Описание

Техническое решение относится к области химии, в частности, к получению углеродного материала для устройств, запасающих электрическую энергию, а именно, суперконденсаторов.

Известен способ синтеза углерод-минерального композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию (патент RU 2480405 на изобретение). Известный способ включает пиролиз в горизонтальном трубчатом реакторе углеводородов при нагревании на катализаторе, в качестве которого используют порошок оксида магния, в непрерывном или периодическом режиме с осаждением углерода на катализатор. Осуществляют пиролиз в отношении природного газа/метана. Синтез проводят при температуре от 800 до 950°С. Катализатор - оксид магния (MgO) получают разложением гидроксида магния (Mg(OH)₂). Кристаллические частицы катализатора - оксида магния, а также исходного гидроксида магния имеют форму шестигранников диаметром от 100 до 1000 нм и толщиной от 50 до 300 нм. Получают композит с осаждением углерода и формированием графена толщиной по крайней мере в один монослой.

Способ не решает технической проблемы повышения качества электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, улучшения рабочих параметров устройств, удешевления технологии получения электродного материала и повышения ее производительности.

К недостаткам, препятствующим решению технической проблемы, относится не вполне высокая однородность - равномерность по поверхности, осаждения углерода на матрицу, которой является катализатор, относительно высокий расход исходных для синтеза материалов, загрязнение получаемого композита, недостаточно высокие емкостные характеристики устройств, запасающих электрическую энергию, электроды которых изготовлены с использованием материала, получаемого из композита, синтезируемого приведенным способом, недостаточно высокое количество осаждаемого углерода на единицу массы матрицы - катализатора. Причины недостатков заключаются в следующем.

Для способа характерна неполная конверсия газа, являющегося источником углерода, в осажденный углерод, возможность протекания гомогенных реакций, что обуславливает образование побочных продуктов, в частности полициклических ароматических углеводородов, и их конденсацию, приводя к загрязнению получаемого композита.

Проведение синтеза происходит при неподвижном слое катализатора, образованном частицами оксида магния и расположенном на поддоне трубчатого горизонтального реактора. Подвод углеродсодержащего газа, осуществляемый к неподвижному слою катализатора, с частицами, находящимися в статичном состоянии, не обеспечивает его одинаковую эффективность в отношении различных частиц катализатора, например, расположенных на поверхности и в объемной части слоя. Как следствие, эффективность и равномерность осаждения углерода на матрицу-катализатор невысока. Формирующийся углеродный слой неоднороден - неравномерен по поверхности матрицы, количество осаждаемого углерода низкое на единицу массы матрицы, расходы исходных для синтеза материалов высоки.

В качестве ближайшего аналога выбран способ синтеза углерод-минерального композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию (патент RU 2641118 на изобретение). При осуществлении способа сначала проводят температурную подготовку проточного реактора с загружаемым темплатом в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала - MgO до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа. После предварительной температурной подготовки пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода при равномерном распределении темплата в среде прекурсора углерода. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт, содержащий углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, равной 1-2 монослоев графена или более. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата, обеспечивая тем самым требуемую величину удельной поверхности графена.

Приведенный ближайший аналог не в полной мере решает техническую проблему повышения качества электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, улучшения рабочих параметров устройств, удешевления технологии получения электродного материала и повышения ее производительности.

К недостаткам ближайшего аналога относится не вполне высокая однородность, равномерность, осаждения углерода на матрицу, в качестве которой используют темплат, относительно высокий расход исходных для синтеза материалов, загрязнение получаемого композита, недостаточно высокие емкостные характеристики устройств, запасающих электрическую энергию, электроды которых изготовлены с использованием материала, получаемого из композита, синтезируемого приведенным способом, недостаточно высокое количество осаждаемого углерода на единицу массы матрицы - темплата.

Для ближайшего аналога характерна неполная конверсия газа, являющегося источником углерода, в осажденный углерод, возможность протекания гомогенных реакций, что обуславливает образование побочных продуктов, в частности полициклических ароматических углеводородов, их конденсацию и приводит к загрязнению получаемого композита.

Проведение синтеза происходит при неподвижном слое темплата в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала - MgO. Подвод углерод со держащего газа, осуществляемый к неподвижному слою темплата, с частицами, находящимися в статичном состоянии, даже при равномерном распределении темплата в среде прекурсора углерода не обеспечивает его одинаковую эффективность в отношении различных частиц. Как следствие, эффективность осаждения углерода на темплат недостаточно высока. Формирующийся углеродный слой недостаточно однороден - равномерен по поверхности темплата, количество осаждаемого углерода недостаточно высокое на единицу массы матрицы - темплата, относительно высоки расходы исходных для синтеза материалов.

Предлагаемый способ направлен на решение технической проблемы повышения качества электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, улучшения рабочих параметров устройств, удешевления технологии получения электродного материала и повышения ее производительности.

Техническим результатом является:

- улучшение равномерности осаждения углерода;

- снижение расхода исходных для синтеза материалов;

- улучшение чистоты получаемого композита;

- улучшение емкостных характеристик - удельной емкости и удельной энергии - устройств запасающих электрическую энергию, выполненных на основе двухэлектродной ячейки симметричной конструкции, с электродами, изготовленными из материала, получаемого из синтезируемого композита;

- повышение количества осажденного углерода на единицу массы матрицы - темплата.

Технический результат достигается способом синтеза углерод-минерального композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, включающим проведение температурной подготовки проточного реактора с загружаемым темплатом в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа, последующее пропускание потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждение углерода на темплат и получение продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов, разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения, а выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата, обеспечивая тем самым требуемую величину удельной поверхности графена, в способе после получения продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, проводят его очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды, а при пропускании потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения их перемешивания за счет вращения реактора и сползания на дно под действием силы тяжести частиц, кроме того, реактор ориентируют в пространстве с расположением его продольной оси по горизонтали, либо ориентируют под углом к горизонтали, при этом устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования не более трех монослоев графена.

В способе используют темплат в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала - MgO, с размером в поперечнике от 10 до 15 нм, с удельной поверхностью от 60 до 70 м²/г, включая указанные значения, температурную подготовку проточного реактора с загружаемым темплатом, проводят при пропускании потока инертного газа до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 720°С, в качестве инертного газа используют аргон.

В способе при пропускании потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, выборе в качестве прекурсора углерода углеводорода ряда алканов используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана, в качестве газа-разбавителя используют аргон, разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа расходом от 5 до 10 л/ч, включая указанные значения, с подачей смеси пропан-бутан расходом от 20 до 40 л/ч, включая указанные значения, и получении количества осаждаемого углерода на темплат около 9,5% от массы темплата.

В способе выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата, обеспечивая тем самым требуемую величину удельной поверхности графена, а именно, для формирования не более трех монослоев графена, выбирают удельную поверхность темплата, равной 60-70 м²/г, чем обеспечивают требуемую величину удельной поверхности графена около 1000 м²/г.

В способе после получения продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, проводят его очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды, а именно проводят его высокотемпературную очищающую обработку, при температуре от 400 до 720°С, включая указанные значения, в течение примерно 1 часа, при этом пропускают поток инертного газа аргона или азота с расходом от 25 л/ч до 50 л/ч, включая указанные значения, при высокотемпературной очищающей обработке, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания их за счет вращения реактора и сползания на дно под действием силы тяжести частиц, а именно, примерно 1,4 оборота в минуту, кроме того, реактор ориентируют в пространстве с расположением его продольной оси по горизонтали, либо ориентируют под углом к горизонтали, при этом устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

В способе после получения продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, проводят его очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды, а именно проводят его обработку в ацетоне, при этом используя фильтр, продукт промывают в проточном режиме в ацетоне, осуществляя промывание до достижение прозрачности проходящего ацетона через промываемый продукт, после чего углерод-минеральный композит сушат на воздухе при температуре от 20 до 100°С в течение примерно 2 часов.

В способе при пропускании потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения их перемешивания за счет вращения реактора и сползания на дно под действием силы тяжести частиц, а именно до 1,4 оборота в минуту.

В способе устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования не более трех монослоев графена, а именно не более 15 градусов.

Суть технического решения поясняется нижеследующим описанием.

При реализации предлагаемого способа протекает гетерогенный процесс, сопровождаемый химической реакцией на поверхности раздела фаз твердое тело (темплат) - газ (поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода). Известно, что существуют две крайние области протекания гетерогенного процесса - кинетическая и диффузионная. При протекании процесса в кинетической области его скорость лимитируется скоростью химических реакций. Для процесса, протекающего в диффузионной области, характерна малая величина условной энергии активации, малое влияние температуры на скорость процесса, скорость процесса лимитируется скоростью диффузии.

Все гетерогенные процессы связаны с переносом вещества. В них можно выделить, в частности, три стадии: подвод реагента к поверхности; химическая реакция на поверхности; отвод продукта реакции от поверхности. Первая и последняя стадия осуществляется за счет диффузии. Во многих случаях химическая реакция могла бы протекать очень быстро, если подвод реагента к поверхности происходил бы достаточно быстро. Такие процессы, к которым относится и процесс, протекающий при реализации предлагаемого способа, являются диффузионно контролируемыми. Скорость процесса определяется скоростью переноса вещества (диффузией). Если же химическая реакция, осуществляемая на второй стадии, имеет высокую энергию активации, то эта стадия оказывается самой медленной. Процесс не ускоряется при достаточно быстром подводе реагента к поверхности. Такой гетерогенный процесс называется кинетически контролируемым. Для его ускорения необходимо повысить температуру.

Изменяя условия проведения процесса осаждения, можно организовать требуемое его протекание.

При реализации предлагаемого способа необходимо достижение однородного, равномерного, осаждения углерода на темплат. Это означает, что подводимые к поверхности твердой фазы реагенты, должны быть распределены равномерно по ее поверхности, поскольку только при таком условии формирование продукта реакции происходит по всей поверхности. Равномерное осаждение достигается в том случае, когда организован процесс массопереноса таким образом, что реагенты в состоянии диффундировать на значительные расстояния, попадая на поверхность и не сразу вступая при этом в реакцию образования продукта, то есть при замедлении протекания химической реакции. Как известно, скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов на поверхности. Чем меньше концентрация реагентов, тем замедленнее протекание реакции и, как следствие, скорость образования продукта на поверхности твердой фазы снижена, а реагентам предоставлена возможность диффундировать, распределяясь более равномерно по поверхности твердой фазы. Понижением концентрации реагентов и, как следствие, предотвращением преждевременного вступления их в реакцию, до того, как они будут распределены равномерно по поверхности твердой фазы, является разбавление, которое используется как в предлагаемом способе, так и в ближайшем аналоге. Разбавление прекурсора углерода - прием, посредством которого управляют равномерностью и скоростью осаждения углерода на матрицу (темплат). Поскольку в качестве темплата с развитой удельной поверхностью используют пористые гранулы, состоящие из кристаллитов оксида магния, то при большой скорости осаждения, что характерно в отсутствии разбавления, осаждение углерода будет происходить только на внешней поверхности гранул, с отсутствием осаждения на поверхностях пор, складок. Достижение желаемой удельной поверхности формируемого слоя на темплате окажется невыполнимым. При большой скорости осаждения диффузия не успевает произойти в объем гранулы - складки и поры. В результате - неравномерное распределение осажденного углерода по поверхности темплата.

С учетом сказанного необходимо отметить также следующее. Если порошкообразный темплат даже равномерно распределен в среде прекурсора углерода, в предельном случае образуя слой толщиной в одну частицу при контактировании частиц лишь с опорной поверхностью, на которой расположен темплат, но при этом темплат неподвижен, то взаимодействует со средой прекурсора углерода только часть поверхности темплата, которая омывается потоком газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода. Часть поверхности темплата, которая контактирует с опорной поверхностью, остается пассивной. В связи с этим процесс массопереноса, не смотря на осуществление разбавления прекурсора углерода, организован так, что реагенты не в состоянии диффундировать, попадая на всю поверхность темплата.

Поэтому в целях более эффективного массопереноса (ко всей поверхности темплата) в предлагаемом решении при пропускании потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания по стенке на дно под действием силы тяжести частиц. Перемешивание при проведении синтеза в трубчатом реакторе горизонтального типа делает пассивную часть поверхности темплата активной, обеспечивая доступ к ней реагента. Таким образом, повышается эффективность процесса массопереноса.

Как правило, во вращающихся аппаратах при воздействии на дисперсную фазу центробежных сил происходит разделение. Например, суспензия, введенная во вращающийся барабан, под действием центробежной силы отбрасывается к стенке. Непосредственно на стенке сосредоточиваются твердые частицы, а жидкость занимает центральную часть барабана. В предлагаемом способе преследуется цель достижения эффективного массопереноса за счет перемешивания. В связи, с чем используют медленное вращение реактора, при котором происходит не процесс разделения, а перемешивания.

Обеспечение более эффективного массопереноса за счет вращения реактора и перемешивания при этом темплата способствует улучшению однородности осаждения углерода, делая его осаждение более равномерным, чем в ближайшем аналоге. Снижается расход исходных для синтеза материалов - темплата и газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода. Поскольку при перемешивании увеличивается активная площадь темплата, постольку при осаждении необходимого количества углерода можно обойтись меньшим количеством темплата. Кроме того, за счет более эффективного массопереноса улучшается конверсия в осажденный углерод используемых в качестве источника углерода углеводородов в связи, с чем при осаждении необходимого количества углерода требуется меньшее количество газообразной смеси. По этим же причинам достигается повышение количества осажденного углерода на единицу массы матрицы - темплата. Также в связи с более полной конверсией углеводородов в осажденный на темплат углерод снижается возможность протекания гомогенных реакций с образованием полициклических ароматических углеводородов, их конденсации и загрязнения ими получаемого композита.

Реактор при осаждении ориентируют в пространстве с расположением его продольной оси по горизонтали, либо ориентируют под углом к горизонтали, при этом устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования по крайней мере 1-2 монослоев графена, но не более трех монослоев графена. Величина угла может устанавливаться и в целях достижения другой скорости перемещения, обеспечивающей формирование более 1-2 монослоев графена, в зависимости от количества углерода, которое требуется осадить на темплат, от величины получаемой удельной поверхности графена и других параметров. Ориентация в пространстве реактора под углом к горизонтали, с одной стороны, способствует улучшению массопереноса за счет дополнительной компоненты перемешивающего движения. С другой стороны, этим обеспечивается транспортировка вдоль реактора загружаемого темплата, транспортировка получаемого продукта к выходному отверстию реактора и его выгрузка в приемник. При достижении края выходного отверстия промежуточный продукт ссыпается в приемник, расположенный под отверстием. Следует отметить, что наклон реактора позволяет реализовать непрерывный режим получения продукта, организовав на входе в реактор непрерывную загрузку темплата с помощью, например, шнековых дозаторов.

В предлагаемый способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, введен дополнительный этап очистки получаемого продукта в результате осаждения углерода на темплат. Так, после получения продукта из частиц темплата, покрытого графеном, являющегося промежуточным продуктом, содержащим загрязнения, проводят его очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Указанную очищающую обработку проводят либо, используя высокотемпературную обработку в реакторе, либо, используя проточное промывание ацетоном.

Улучшение емкостных характеристик - удельной емкости и удельной энергии - устройств запасающих электрическую энергию, выполненных на основе двухэлектродной ячейки симметричной конструкции, с электродами, изготовленными из материала, получаемого из синтезируемого композита, происходит в результате снижения в получаемом конечном продукте содержания продуктов побочной реакции образования полициклических ароматических углеводородов, в основном нафталина и антрацена. Снижение содержания обеспечивается, во-первых, в связи с более полной конверсией углеводородов в осажденный на темплат углерод, достигаемой за счет более эффективного массопереноса к поверхности темплата при использовании вращения и наклона реактора и перемешивания при этом темплата, и, соответственно, меньшим образованием продуктов побочной реакции. Во-вторых, в результате проводимой финальной очищающей обработки промежуточного продукта, специально предпринимаемой с целью его очистки.

Таким образом, приведенные существенные особенности в соответствии с раскрытыми механизмами обеспечивают достижение вышеуказанного комплексного технического результата, за счет которого более полно решается техническая проблема повышения качества электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, улучшения рабочих параметров устройств, удешевления технологии получения электродного материала и повышения ее производительности.

Реализация способа осуществляется в три этапа.

Первый этап является подготовительным.

Осуществляют получение темплата. В качестве такового выбирают, в частности, оксид магния или другой. Оксид магния получают путем прокалки гидроксикарбоната магния при температуре примерно 720°С, включая указанные значения, в воздушной среде. Прокалку проводят около 4-6 часов. Подготавливают оксид магния с размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

На втором этапе осуществляют получение промежуточного продукта, который предстоит после реализации данного этапа очистить от загрязнений.

Проводят температурную подготовку проточного реактора с загружаемым темплатом в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа. Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода. Осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины на поверхности указанных частиц. Прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата, обеспечивая тем самым требуемую величину удельной поверхности графена. При пропускании потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси. При этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц, соответственно, темплата, на который осаждают углерод, и получаемого продукта из частиц темплата, покрытого графеном. Скорость вращения устанавливают 1,4 оборота в минуту. Реактор ориентируют в пространстве с расположением его продольной оси под углом к горизонтали, либо ориентируют под углом к горизонтали, при этом устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования по крайней мере 1-2 монослоев графена, но не более трех монослоев. Величину угла устанавливают в этих целях не более 15 градусов.

Темплат используют в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала - например, MgO, то есть оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах. Размер частиц темплата в поперечнике составляет от 10 до 15 нм. Частицы темплата имеют развитую удельную поверхность - от 60 до 70 м²/г, что обеспечивает предпосылки к получению графена при осаждении углерода на темплат с требуемой величиной удельной поверхности. Температурную подготовку проточного реактора с загружаемым темплатом, проводят при пропускании потока инертного газа до установления температуры синтеза. При температурной подготовке реактора возможно приведение его во вращение. Температура должна обеспечить разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат. Температуру выбирают около 720°С. В качестве инертного газа используют аргон. Возможно вместо аргона использование азота. Пропускают поток инертного газа с расходом 20 л/ч.

При пропускании потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, для чего в качестве прекурсора углерода выбирают углеводород ряда алканов, например, используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа-разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения. Для осаждения осуществляют продувание смесью с подачей инертного газа расходом от 5 до 10 л/ч, включая указанные значения, с подачей смеси пропан-бутан расходом от 20 до 40 л/ч, включая указанные значения. Получают количество осаждаемого углерода на темплат около 9,5% от массы темплата.

При осаждении углерода на темплат и получении продукта, из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, при котором выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата, обеспечивая тем самым требуемую величину удельной поверхности графена, а именно для формирования по крайней мере 1-2 монослоев графена, но не более трех монослоев, выбирают удельную поверхность темплата, равной 60-70 м²/г, чем обеспечивают требуемую величину удельной поверхности графена около 1000 м²/г.

Полученный промежуточный продукт содержит по объему 0,2-0,6 масс % полициклических ароматических углеводородов - продуктов полимеризации и конденсации, которые образовались в процессе осаждения углерода на темплат. Поэтому после получения продукта из частиц темплата, покрытого графеном, необходимо удалить продукты побочных реакций. С этой целью предпринимают обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды.

На третьем, заключительном, этапе проводят очистку полученного промежуточного продукта. Данный этап можно осуществлять двумя вариантами.

В первом варианте используют высокотемпературную очищающую обработку в реакторе.

Полученный и собранный в приемник промежуточный продукт загружают для очистки в реактор и проводят его высокотемпературную обработку при температуре не менее температуры кипения образуемых ароматических соединений, в основном нафталина, антрацена. В результате происходит улетучивание ароматических соединений, синтезируемый продукт очищается. При реализации очищающей высокотемпературной обработки также реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном. Перемешивание облегчает диффузию и отвод побочного продукта реакции. Скорость вращения, в частности устанавливают 1,4 оборота в минуту.

Реактор при высокотемпературной очищающей обработке ориентируют в пространстве с расположением его продольной оси по горизонтали, либо ориентируют под углом к горизонтали, при этом устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час. С одной стороны, эта мера способствует улучшению диффузии отводимого продукта побочной реакции за счет дополнительной компоненты перемешивающего движения. С другой стороны, этим обеспечивается транспортировка вдоль реактора загружаемого промежуточного продукта, транспортировка получаемого конечного очищенного продукта к выходному отверстию реактора и его выгрузка в приемник.

Ограничение на величину угла предотвращает преждевременную выгрузку из реактора продукта и обеспечивает полную очистку.

Проводят высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды при температуре от 400 до 720°С, включая указанные значения, в течение примерно 1 часа. При этом пропускают поток инертного газа аргона или азота с расходом от 25 л/ч до 50 л/ч, включая указанные значения.

Во втором варианте используют очищающую обработку ацетоном.

После получения продукта, содержащего углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины, проводят его очищающую обработку в ацетоне, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. При этом используя фильтр, продукт промывают в проточном режиме. Осуществляют промывание до достижения прозрачности проходящего ацетона через промываемый продукт. Затем углерод-минеральный композит сушат на воздухе при температуре от 20 до 100°С в течение примерно 2 часов.

Для реализации второго этапа и высокотемпературной очищающей обработки третьего этапа описанного синтеза может быть использован проточный трубчатый реактор с диаметром условного прохода около 100 мм, длиной примерно 1600 мм, с длиной зоны нагрева, составляющей около 1100 мм. Реактор снабжен трехзонной электрической печью, обеспечивающей с помощью нагревателей и термопар поддержание температуры с точностью до 1°С.

В ходе разработки предлагаемого способа синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, проводилось тестирование электродного материала, получаемого из промежуточного и конечного продуктов синтеза.

В целях получения электродного материала из промежуточного и конечного продуктов темплат удаляли. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений были получены следующие емкостные характеристики.

При использовании электродного материала, полученного из промежуточного продукта, были получены данные: удельная емкость 28 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г; удельная энергия 42 Вт⋅ч/кг в расчете на рабочее напряжение 3 В.

При использовании электродного материала, полученного из конечного продукта, то есть прошедшего высокотемпературную очищающую обработку, были получены данные: удельная емкость достигала до 47 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г; удельная энергия достигала 57,5 Вт⋅ч/кг в расчете на рабочее напряжение 3 В.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие конкретные примеры реализации.

Пример 1.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 720°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 5 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 20 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной 2-3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 60 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 5 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования 2-3 монослоев.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, загружают его в реактор и проводят его высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Обработку проводят при температуре 700°С, в течение примерно 1 часа, при пропускании потока инертного газа аргона с расходом 50 л/ч. При обработке реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном, - со скоростью 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна 5 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 32 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 2.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 700°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 10 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 40 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной до 2-3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 27 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования указанного количества монослоев графена.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, загружают его в реактор и проводят его высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Обработку проводят при температуре 400°С, в течение примерно 1 часа, при пропускании потока инертного газа аргона с расходом 25 л/ч. При обработке реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном, - со скоростью 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 46 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 3.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 25 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 730°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 7,5 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 30 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной 2-3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 40 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 11 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования толщины графена 2-3 монослоев.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, загружают его в реактор и проводят его высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Обработку проводят при температуре 720°С, в течение примерно 1 часа, при пропускании потока инертного газа аргона с расходом 28 л/ч. При обработке реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном, - со скоростью 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна 14 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 32 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 4.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 700°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 10 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 40 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной до 3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 27 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования указанного количества монослоев графена.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, загружают его в реактор и проводят его высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Обработку проводят при температуре 500°С, в течение примерно 1 часа, при пропускании потока инертного газа аргона с расходом 25 л/ч. При обработке реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном, - со скоростью 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 47 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 5.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 700°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 10 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 40 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной до 3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 27 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования указанного количества монослоев графена.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, загружают его в реактор и проводят его высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Обработку проводят при температуре 600°С, в течение примерно 1 часа, при пропускании потока инертного газа аргона с расходом 25 л/ч. При обработке реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном, - со скоростью 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 36 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 6.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 700°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 10 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 40 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной 2-3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 27 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования указанного количества монослоев графена.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, загружают его в реактор и проводят его высокотемпературную очищающую обработку, удаляющую образованные в ходе осаждения углерода побочные продукты - полициклические ароматические углеводороды. Обработку проводят при температуре 300°С, в течение примерно 1 часа, при пропускании потока инертного газа аргона с расходом 25 л/ч. При обработке реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц продукта из темплата, покрытого графеном, - со скоростью 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна 15 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения очищаемого продукта через реактор в направлении параллельном оси реактора, отвечающей полной очистке продукта, не более 1 м/час.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 30 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 7.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 720°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 5 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 20 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной 2-3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 60 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 5 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования 2-3 монослоев графена.

После завершения осаждения углерода на темплат, полученный продукт из частиц темплата, покрытых графеном, собирают в приемник, расположенный на выходе реактора, и проводят очищающую обработку ацетоном. Используя фильтр, продукт промывают в проточном режиме в ацетоне, осуществляя промывание до достижения прозрачности проходящего ацетона через промываемый продукт. Затем углерод-минеральный композит сушат на воздухе при температуре от 20 до 100°С в течение примерно 2 часов.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 45 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Пример 8.

Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.

Предварительно полученный темплат, в качестве которого используют порошок наноразмерных частиц неорганического материала - оксида металла второй группы, обеспечивающего химическую и термическую стабильность, отсутствие модификации структуры и состава, химическую инертность по отношении к углероду, хорошую растворимость в кислотных растворах - оксида магния, загружают в реактор. Темплат - оксид магния характеризуется размером частиц в поперечнике примерно 10-15 нм и удельной поверхностью темплата около 60-70 м²/г.

Проводят температурную подготовку проточного трубчатого реактора с загружаемым темплатом до температуры синтеза при пропускании потока инертного газа с расходом 20 л/ч. В качестве инертного газа используют аргон. Подготовку проводят до установления температуры синтеза, обеспечивающей разложение прекурсора углерода и осаждение углерода на темплат, около 720°С.

Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, подавая ее через входное отверстие. Причем прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов - используют смесь пропан-бутан с составом по объему 2% этана, 18% бутана и 80% пропана. В качестве газа разбавителя используют аргон. Разбавлением прекурсора углерода управляют количеством осаждаемого углерода на поверхность темплата и равномерностью его осаждения при продувании смесью с подачей инертного газа с расходом 5 л/ч и подачей смеси пропан-бутана с расходом 20 л/ч. Получают количество углерода, осажденного на поверхность темплата, составляющего около 9,5% от массы темплата. При этом осаждают углерод на темплат и получают продукт из частиц темплата, покрытого графеном контролируемой толщины, равной 2-3 монослоев графена. Выбор толщины графена сочетают с выбором удельной поверхности темплата для получения удельной поверхности графена требуемой ее величины - 1000 м²/г. Осаждение проводят в течение примерно 60 минут. При реализации пропускания потока газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждении углерода на темплат и получении продукта из частиц темплата, покрытого графеном, реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, при этом значение скорости вращения выбирают исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения перемешивания за счет сползания на дно под действием силы тяжести частиц темплата, на который осаждают углерод, а также формируемого промежуточного продукта - примерно 1,4 оборота в минуту. Кроме того, реактор ориентируют в пространстве таким образом, что величина угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, равна около 5 градусов. Устанавливают величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении параллельном оси реактора, на которые осаждают углерод, достаточную для формирования 2-3 монослоев графена.

Последующую очистку не осуществляют.

Проводили тестирование получаемого электродного материала из промежуточного продукта углерод-минерального композита после удаление темплата. Формировали двухэлектродную ячейку симметричной конструкции, которую заполняли ионной жидкостью, выполняющей функцию электролита. При проведении тестирующих измерений получена удельная емкость 28 Ф/г при токе разрядки 0,2 А/г.

Реферат

Изобретение относится к химии и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении устройств, запасающих электрическую энергию, а именно суперконденсаторов. Сначала проводят температурную подготовку проточного реактора с загружаемым темплатом в виде порошка наноразмерных частиц неорганического материала до температуры синтеза около 720 °С, при пропускании потока инертного газа, например, аргона. Затем пропускают поток газообразной смеси из газа-разбавителя и прекурсора углерода, осаждают углерод на темплат и получают продукт, содержащий углерод-минеральный композит из частиц темплата с поверхностью, покрытой графеном контролируемой толщины. В процессе синтеза продукта реактор приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, выбирая значение скорости вращения исходя из предотвращения в поле центробежных сил плотного кольцевого сосредоточивания частиц при стенке реактора и обеспечения их перемешивания. При этом реактор ориентируют в пространстве так, чтобы его продольная ось располагалась по горизонтали либо под углом к горизонтали, устанавливая величину угла, образованного горизонталью и продольной осью реактора, с вершиной в выходном отверстии реактора, обеспечивающую скорость перемещения частиц темплата через реактор в направлении, параллельном оси реактора, достаточную для формирования не более трех монослоев графена. Прекурсор углерода выбирают из углеводородов ряда алканов. Полученный продукт очищают от образовавшихся побочных продуктов при температуре от 400 до 720 °С, включая указанные значения, в течение примерно 1 ч, пропуская аргон или азот с расходом от 25 до 50 л/ч, включая указанные значения, или промывая продукт в проточном режиме в ацетоне до достижения прозрачности проходящего ацетона, используя фильтр, с последующей сушкой на воздухе при температуре от 20-100 °С примерно 2 ч. Улучшается равномерность осаждения углерода и чистота получаемого продукта, снижается расход исходных материалов, увеличивается количество осажденного углерода на единицу массы темплата, повышается удельная емкость и удельная энергия устройств с электродами, изготовленными с использованием материала, полученного из указанного продукта. 7 з.п. ф-лы, 8 пр.

Формула