Высокопористый терморасширенный графит, полученный из интеркалированного графита с соединениями металлов: свойства и применениеНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Высокопористый терморасширенный графит, полученный из интеркалированного графита с соединениями металлов: свойства и применение
Результаты этапа: Изучено взаимодействие бинарного интеркалированного соединения графита (ИСГ) c хлоридом железа I-III ступеней с 98% азотной кислотой и тетрагидрофураном. Исследование проводили с использованием квазимонокристаллов высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) и порошка природного графита. Установлено, что при взаимодействии бинарного ИСГ I ступени с 98% азотной кислотой, независимо от выбранного исходного графитового материала, происходит частичное разложение I ступени ИСГ и образование тройного коинтеркалированного соединения II-III ступени в зависимости от времени синтеза. Показано, что обработка ИСГ I ступени тетрагидрофураном не влияет на фазовый состав соединения, но отражается на его способности к вспениванию. Обработка в течение 24 часов приводит к повышению коэффициента термического расширения ИСГ в 10 раз, а насыпная плотность терморасширенного графита снижается со 100 до 10 г/л. Взаимодействием II-III ступеней ИСГ – FeCl3 c 98 % азотной кислотой синтезированы новые тройные гетеро-интеркалированные соединения графит-FeCl3-HNO3, изучено их строение. Показано, что в первом случае образуется ТИСГ с чередованием слоев FeCl3-HNO3-FeCl3-графит и периодом идентичности 29,86 A, а во втором случае – с чередованием слоев FeCl3-графит-HNO3-FeCl3-HNO3-графит и периодом идентичности 42,15 A. Разработан метод получения интеркалированного графита путем анодной поляризации порошка природного графита в растворах солей металлов. Установлено, что оптимальным растворителем для электролита является вода, добавление спирта приводит к повышению потенциала, доминированию реакции образования поверхностных функциональных групп. Определены оптимальные условия синтеза, позволяющие варьировать количество соли металла в продукте. Данным методом получен интеркалированный графит, модифицированный нитратом никеля и нитратом железа. Вспениванием интеркалированного графита при 250, 350 и 900 оС получен терморасширенный графит (ТРГ), модифицированный оксидом никеля, и оксидами железа. Методом низкотемпературной адсорбции азота изучена пористая структура полученного ТРГ. Установлено, что данные материалы характеризуются удельной поверхностью 120-160 м2/г и наряду с мезопормаи радиусом 20 А, содержат мезопоры радиусом 18 А. Разработан метод парогазовой активации терморасширенного графита, состоящий в обработке таблеток ТРГ водяным паром при температуре 600-800 оС в течение 6-8 часов. Получен ТРГ с развитой удельной поверхностью 90-110 м2/г для таблеток плотностью 0,05 г/см3 и изучена его пористая структура. Показано, что парогазовая активация не приводит к формированию микропористости в пенографите, но в отдельных случаях позволяет развить дополнительную удельную поверхность и объем мезопор. Подобраны оптимальные условия проведения активации пористой структуры терморасширенного графита: сочетание электрохимического окисления графита в 30% азотной кислоте с последующим вспениванием при 400 оС и парогазовой активацией при 600 оС в течение 4 часов. Методами КР-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии изучена морфология активированных образцов. Установлено, что активация ТРГ затрагивает его структуру, что выражается в появлении разупорядоченного углерода на поверхности терморасширенного графита.
2 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Высокопористый терморасширенный графит, полученный из интеркалированного графита с соединениями металлов: свойства и применение
Результаты этапа: Методом газофазного интеркалирования порошка природного графита хлоридом железа III получены I и II ступени интеркалированных соединений графита. Изучено взаимодействие данных соединений с 98% азотной кислотой и тетрагидрофураном. Показано, что независимо от номера ступени ИСГ с хлоридом железа, обработка его азотной кислотой приводит к образованию II ступени нитрата графита, в то время как фазовый состав ИСГ не меняется даже при длительной обработке тетрагидрофураном. Ни в том, ни в другом случае образование тройных ИСГ не наблюдалось, в отличие от случая с высокоориентированным пиролитическим графитом, когда были получены тройные ИСГ. Изучено влияние атмосферы вспенивания интеркалированного графита на фазовый и химический состав терморасширенного графита. Показано, что независимо от атмосферы вспенивания, фазовый состав терморасширенного графита, полученного при 350 оС представлен только фазой графита, несмотря на наличие в образцах 14-18 вес.% железа в виде Fe2O3, Fe3O4 и FeOOH•2H2O. Содержание того или иного оксида железа в терморасширенном графите определяется атмосферой вспенивания, основная масса железа содержится в виде FeOOH•2H2O. Фазовый состав терморасширенного графита, полученного при 900 оС, представлен смесью графита, ?Fe2O3 и Fe3O4. Причем в образце, полученном в восстановительной атмосфере, 70% соединений железа приходится на Fe3O4, в то время как для второго образца 95% составляет ?Fe2O3. Изучена возможность развития мезопористой структуры терморасширенного графита с применением химических активирующих агентов (KOH, H3PO4, фенолформальдегидной смолы). Показана принципиальная возможность развития мезопористой структуры только при использовании фенолформальдегидной смолы, в то время как воздействие пара на предварительно обработанные KOH и H3PO4 образцы не отражается на значении удельной поверхности. Установлено, что спекание исходного графита с KOH в соотношении 1:2 с последующим интеркалированием 98% азотной кислотой и вспениванием при 900 оС позволяет получить материал с удельной поверхностью 70 м2/г и объемом пор 0,09 мл/г, что в 3,5 раза превышает значения для неактивированных образцов. Методом эталонной порометрии показано, что объем и распределение макропор по размерам не зависит от способа получения терморасширенного графита и составляет 3-4 мл/г для пор диаметром 1-10 мкм и 6,5-7,5 мкм для пор диаметром 10-100 мкм. Показано, что образцы терморасширенного графита, полученные в восстановительной атмосфере демонстрируют магнитные свойства. Однако наибольшие значения намагниченности насыщения (20-50 эме/г) были получены для образцов, восстановленных в токе водорода.
3 9 января 2014 г.-25 декабря 2014 г. Высокопористый терморасширенный графит, полученный из интеркалированного графита с соединениями металлов: свойства и применение
Результаты этапа: За время выполнения проекта были разработаны методы получения высокопористого терморасширенного графита с нанесенными частицами оксидов металлов и металлов, состоящие в анодной поляризации природного графита в водных растворах нитратов металлов или газофазным интеркалированием графита хлоридами металлов с последующим интеркалированием кислотами Бренстеда. Был разработан метод активации пористой структуры терморасширенного графита, состоящий в спекании природного графита со щелочью с последующей отмывкой. Применение данного метода позволило развить пористую структуру материала, не ухудшив других свойств, в отличие от метода парогазовой активации. Впервые была полностью описана пористая структура терморасширенного графита с использованием методов низкотемпературной адсорбции азота и эталонной порометрии. Показано, что мезо- и макропористая структура не зависит от способа получения терморасширенного графита, а микропоры присутствуют только в электрохимически полученных образцах. Объем и распределение макропор по размерам не зависит от способа получения терморасширенного графита и составляет 3-4 мл/г для пор диаметром 1-10 мкм и 6,5-7,5 мкм для пор диаметром 10-100 мкм. Установлено, что образующиеся при электрохимическом синтезе многочисленные кислородсодержащие поверхностные группы не выгорают в процессе вспенивания и остаются в терморасширенном графите, придавая ему гидрофильные свойства. Показано, что восстановление терморасширенного графита в токе водорода сопровождается восстановлением поверхностных групп, причем этот процесс является конкурентным по отношению к процессу восстановления частиц оксидов металлов. Показано, что образцы терморасширенного графита, полученные в восстановительной атмосфере демонстрируют магнитные свойства. Однако наибольшие значения намагниченности насыщения (20-50 эме/г) были получены для образцов, восстановленных в токе водорода. Определены значения сорбционной емкости полученных материалов, которые составляют до 80 г/г при сорбции октана и 116 г/г при сорбции моторного масла.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".