RU2748929C1 - Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена - Google Patents

Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена Download PDF

Info

Publication number
RU2748929C1
RU2748929C1 RU2020137001A RU2020137001A RU2748929C1 RU 2748929 C1 RU2748929 C1 RU 2748929C1 RU 2020137001 A RU2020137001 A RU 2020137001A RU 2020137001 A RU2020137001 A RU 2020137001A RU 2748929 C1 RU2748929 C1 RU 2748929C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
molybdenum
reactor chamber
carbon
graphite
molybdenum carbide
Prior art date
Application number
RU2020137001A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Анатольевич Сивков
Иван Игоревич Шаненков
Дмитрий Сергеевич Никитин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Priority to RU2020137001A priority Critical patent/RU2748929C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2748929C1 publication Critical patent/RU2748929C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • C01B32/949—Tungsten or molybdenum carbides

Abstract

Изобретение относится к области получения неорганических функциональных материалов, а именно к способу получения нанокристаллического кубического карбида молибдена, который может найти применение в качестве каталитического материала в реакциях получения водорода. Способ включает использование спрессованной смеси порошков молибденсодержащего и углеродсодержащего компонентов, вакуумирование камеры-реактора, генерирование плазменной струи для возгонки исходных компонентов, распыление и закалку полученного продукта в камере-реакторе. Способ характеризуется тем, что после вакуумирования камеру-реактор заполняют азотом комнатной температуры до давления 2⋅105Па, затем при зарядном напряжении 2,5 кВ конденсаторной батареи емкостью 6 мФ генерируют молибден- и углеродсодержащую электроразрядную плазму с помощью коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовым стволом и составным центральным электродом, включающим хвостовик из стали и наконечник с электрически плавкой перемычкой из прессованной смеси молибдена и сажи в атомном соотношении Mo:C от 0,70:0,30 до 0,50:0,50, размещенной между графитовым стволом и графитовым наконечником. Предлагаемый способ позволяет получать нанокристаллический кубический карбид молибдена. 3 ил., 1 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области получения неорганических функциональных материалов, а именно к получению нанокристаллического кубического карбида молибдена и может быть использовано в качестве каталитического материала в реакциях получения водорода.
Известен способ получения наночастиц карбида молибдена [RU 2489351 С2, МПК C01B31/34 (2006.01), опубл. 10.04.2013], который включает растворение пентахлорида молибдена в этаноле в соотношении, равном 1:(1-3). В полученный раствор добавляют мочевину. Затем проводят отжиг в две стадии. На первой стадии нагрев осуществляют в вакууме со скоростью не более 5°C/мин до температуры 430-450°C. На второй стадии нагревают в атмосфере азота до температуры 550-600°C с последующей выдержкой при этой температуре в течение 2,5-3 часов.
Этот способ позволяет получить частицы кубического карбида молибдена α-Мо2С размерами 5-10 нм.
Известен способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена MoC1-x методом электровзрыва [Song H. J. et al. Ultrafine α-Phase Molybdenum Carbide Decorated with Platinum Nanoparticles for Efficient Hydrogen Production in Acidic and Alkaline Media //Advanced Science. - 2019. - Т. 6. - №. 8. - С. 1802135]. Электрически перегретую молибденовую проволоку подвергают многократному испарению в результате взрыва, рассеяния и конденсации. Образующийся материал диспергируют в среде органического растворителя C18H34O2, фильтруют, промывают и обрабатывают при 550 и 600 °C в восстановительной атмосфере.
Конечный продукт представлял собой наночастицы MoC1-x со средним размером 18,2 нм.
Известные способы являются многоступенчатыми и требуют длительного процесса обработки полученного материала.
Известен способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена [Matsumoto O., Mitarai Y. Formation of Molybdenum and Tungsten Carbides by Heating in Plasma Jet //Denki Kagaku oyobi Kogyo Butsuri Kagaku. - 1976. - Т. 44. - №. 12. - С. 815-817], принятый за прототип, который осуществляют в два этапа. На первом этапе смешивают исходные порошки оксида молибдена и графита, прессуют из них таблетку, помещают её в устройство-измельчитель, где таблетку измельчают с помощью дугового разряда постоянного тока, поджигаемого в атмосфере аргона при температуре около 3000 °C, до размеров частиц менее 44 мкм. На втором этапе вакуумируют камеру-реактор, создают аргоновую плазменную струю мощностью 2,2 кВт, перемещают измельченный порошок через податчик со скоростью 0,5 г/мин в зону горения плазменной струи. При этом происходят реакция карбонизации, распыление и закалка полученного продукта в камере-реакторе.
Этот способ позволяет получить наноразмерные частицы кубического карбида молибдена α-MoC1-x в углеродной матрице, однако является технически сложным в силу двустадийности процесса и приводит к образованию продукта, загрязненного оксидными соединениями.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание способа получения нанокристаллического кубического карбида молибдена.
Предложенный способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена, также как в прототипе, включает использование спрессованной смеси порошков молибденсодержащего и углеродсодержащего компонентов, вакуумирование камеры-реактора, генерирование плазменной струи для возгонки исходных компонентов, распыление и закалку полученного продукта в камере-реакторе.
Согласно изобретению после вакуумирования камеру-реактор заполняют азотом комнатной температуры до давления 2⋅105 Па. Затем при зарядном напряжении 2,5 кВ конденсаторной батареи емкостью 6 мФ генерируют молибден- и углеродсодержащую электроразрядную плазму с помощью коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовым стволом и с составным центральным электродом, содержащим хвостовик из стали и наконечник с электрически плавкой перемычкой из прессованной смеси порошков молибдена и сажи в атомном соотношении Mo:C от 0,70:0,30 до 0,50:0,50, размещенной между графитовым стволом и графитовым наконечником.
При формировании гиперзвуковой струи молибден- и углеродсодержащей электроразрядной плазмы таким способом происходит возгонка в плазменное состояние спрессованной смеси порошков молибдена и сажи, их реакция в жидкофазном виде с образованием кубического карбида молибдена MoC1-x и распыление в азотной атмосфере камеры-реактора при скоростях более 3 км/с, что обеспечивает высокую скорость кристаллизации материала как необходимое условие для образования MoC1-x.
Преимуществами предложенного способа является формирование наноразмерных частиц кубического карбида молибдена MoC1-x со средним размером 40±5 нм в едином кратковременном экспериментальном цикле длительностью до ~1 мс и отсутствие примесных оксидных фаз.
Увеличение зарядного напряжения конденсаторной батареи более 2,5 кВ приводит к чрезмерному разогреву материала и переходу в гексагональные модификации карбида молибдена за счет остаточного теплового эффекта, а зарядное напряжение менее 2,5 кВ не обеспечивает полную возгонку спрессованной смеси порошков молибдена и сажи, что приводит к загрязнению продукта примесными фазами.
Предложенный способ позволил получить продукты с содержанием нанокристаллического кубического карбида молибдена от 96,3 до 99,0 мас.%.
На фиг. 1 показана установка для получения нанокристаллического кубического карбида молибдена.
На фиг. 2 представлена рентгеновская дифрактограмма полученного продукта по примеру 1.
На фиг. 3 приведен просвечивающий микроснимок полученного продукта по примеру 1.
В таблице 1 представлены условия получения кубического карбида молибдена и результаты количественного рентгеноструктурного анализа полученных продуктов.
Получение нанокристаллического кубического карбида молибдена было реализовано с использованием установки (фиг. 1), содержащей коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в котором цилиндрический электропроводящий ствол выполнен из двух электропроводящих цилиндров: внутреннего цилиндра 1 из графита и внешнего цилиндра 2 из прочного немагнитного материала (из нержавеющей стали), центрального электрода, состоящего из графитового наконечника 3 и хвостовика 4 из стали. Ствол и центральный электрод соединены электрически плавкой перемычкой 5, выполненной из спрессованной смеси порошков молибдена (чистота 99,5 мас. %, Aladdin Industrial Corp.) и сажи (K-354, ПКФ ЭкоПольза) в атомном соотношении Mo:C от 0,70:0,30 до 0,50:0,50 со средним размером частиц не более 1 мкм, помещенной поверх токопроводящего углеродного слоя, нанесенного на поверхность изолятора 6, отделяющего электропроводящий ствол от центрального электрода. Корпус 7 выполнен из магнитного материала, сопряжен с внешним металлическим цилиндром 2 и перекрывает зону размещения плавкой перемычки 5. Длина части, перекрывающей зону размещения плавкой перемычки 5, составляет 40÷50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 8 выполнен за одно целое с фланцем 9 и цилиндрической частью 10, в которой размещен корпус 7 и укреплен резьбовой заглушкой 11. Соленоид 8 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 12 и стянут мощными токопроводящими шпильками 13 между фланцем 9 и стеклопластиковым упорным кольцом 14. Токопроводящие шпильки 13 электрически соединены токопроводящим кольцом 15, а к токопроводящим шпилькам 13 присоединен шинопровод 16 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 17 схемы электропитания присоединен к хвостовику 4. Ко второму шинопроводу 17 последовательно присоединены ключ 18 и конденсаторная батарея 19, связанная с шинопроводом 16.
Свободный конец ствола ускорителя вставлен в камеру-реактор 20, через осевое отверстие в первой металлической боковой крышке 21 и герметично зафиксирован с помощью уплотнительных колец 22, расположенных между фланцем 9 и боковой крышкой 21, и шпилек 23, соединяющих кольцо 24, упирающееся во фланец 9, и первую боковую крышку 21. Камера-реактор 20 через первый вентиль 25 соединена с форвакуумным насосом. Камера-реактор 20 через второй вентиль 26 соединена с баллоном, наполненным азотом и снабженным манометром. Объем камеры-реактора 20 ограничен двумя боковыми крышками 21 и 27, которые прикреплены к ней болтовыми соединениями.
Между внутренним цилиндром 1 ствола ускорителя и наконечником центрального электрода 3 помещают электрически плавкую перемычку 5, выполненную из прессованной смеси порошкообразного молибдена и сажи в атомном соотношении Mo:C от 0,70:0,30 до 0,50:0,50 с размерами частиц не более 1 мкм, закладываемой поверх токопроводящего углеродного слоя предварительно нанесенного на поверхность изолятора 6 путем распыления углеродного спрея марки Graphit 33. Ускоритель плотно состыковывают с внешней стороной первой крышкой 21 с помощью кольца 24 и уплотнительных колец 22. Первую крышку 21 с зафиксированным на ней ускорителем плотно состыковывают с помощью болтовых соединений с камерой-реактором 20. Противоположную сторону камеры-реактора 20 закрывают второй крышкой 27. После этого камеру-реактор 20 вакуумируют через первый вентиль 25, после чего через второй вентиль 26 заполняют азотом при давлении 2⋅105 Па и при комнатной температуре.
Конденсаторную батарею 19 емкостью 6 мФ емкостного накопителя энергии заряжают до величины зарядного напряжения 2,5 кВ. Ключ 18 замыкают, после чего в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от конденсаторной батареи 19 по шинопроводу 16, токопроводящему кольцу 15, шпилькам 13, фланцу 9, виткам соленоида 8, корпусу 7, внешнему металлическому цилиндру 2, внутреннему цилиндру 1, плавкой перемычке 5, графитовому наконечнику 3, хвостовику 4, второму шинопроводу 17. При этом плавкая перемычка 5 разогревается, плавится, и ее материал переходит в плазменное состояние с образованием дугового разряда. Конфигурация плазменной структуры типа Z-пинч с круговой плазменной перемычкой задается формой плавкой перемычки 5 и наличием цилиндрического канала в изоляторе 6. Далее плазма разряда сжимается магнитным полем собственного тока и аксиальным полем соленоида 8 и существует в ускорительном канале в виде удлиняющегося Z-пинча с круговой плазменной перемычкой на конце, через которую ток переходит на цилиндрическую поверхность ускорительного канала внутреннего цилиндра 1, в процессе ускорения плазменной перемычки под действием силы Лоренца. Плазменная струя истекает из ускорительного канала внутреннего цилиндра 1 в камеру-реактор 20, заполненную азотом, распыляется со свободной границы головной ударной волны и происходит закалка полученного продукта. После осаждения синтезированного материала на внутренней поверхности камеры-реактора 20, открывают крышку 27 и производят сбор продукта плазмодинамического синтеза.
Результаты получения нанокристаллического кубического карбида молибдена при использовании рассматриваемого способа приведены в таблице 1.
Полученный продукт плазмодинамического синтеза исследовали с помощью методов рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии. Рентгеновская дифрактограмма полученного продукта (фиг. 2), результаты количественного рентгеноструктурного анализа (таблица 1) и микроснимок (фиг. 3) показали преимущественное содержание нанокристаллического кубического карбида молибдена MoC1-x от 96,3 до 99,0 мас. % со средним размером 40±5 нм при минимальном содержании побочных фаз на основе углерода и молибдена.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КУБИЧЕСКОГО КАРБИДА МОЛИБДЕНА
Таблица 1
№ примера
п/п		 Атомное соотношение Mo:C Амплитуда тока дугового разряда,
кА		 Мощность дугового разряда, МВт Длительность импульса,
мкс		 Содержание MoC1-x,
%		 Содержание MoC, Mo2C, Mo,
%
1 0,60:0,40 100 132 310 99,0 1,0
2 0,70:0,30 98 128 320 96,3 3,7
3 0,50:0,50 103 136 320 97,2 2,8

Claims (1)

  1. Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена, включающий использование спрессованной смеси порошков молибденсодержащего и углеродсодержащего компонентов, вакуумирование камеры-реактора, генерирование плазменной струи для возгонки исходных компонентов, распыление и закалку полученного продукта в камере-реакторе, отличающийся тем, что после вакуумирования камеру-реактор заполняют азотом комнатной температуры до давления 2⋅105 Па, затем при зарядном напряжении 2,5 кВ конденсаторной батареи емкостью 6 мФ генерируют молибден- и углеродсодержащую электроразрядную плазму с помощью коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовым стволом и составным центральным электродом, включающим хвостовик из стали и наконечник с электрически плавкой перемычкой из прессованной смеси молибдена и сажи в атомном соотношении Mo:C от 0,70:0,30 до 0,50:0,50, размещенной между графитовым стволом и графитовым наконечником.
RU2020137001A 2020-11-11 2020-11-11 Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена RU2748929C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020137001A RU2748929C1 (ru) 2020-11-11 2020-11-11 Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020137001A RU2748929C1 (ru) 2020-11-11 2020-11-11 Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2748929C1 true RU2748929C1 (ru) 2021-06-01

Family

ID=76301321

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020137001A RU2748929C1 (ru) 2020-11-11 2020-11-11 Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2748929C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2806983C1 (ru) * 2023-02-22 2023-11-08 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Низкотемпературный карботермический синтез пленок карбида димолибдена на поверхности углеродного носителя

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102583380A (zh) * 2012-02-28 2012-07-18 吉林大学 钼的碳化物的高温高压制备方法
RU2489351C2 (ru) * 2011-10-04 2013-08-10 Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН Способ получения наночастиц карбида молибдена
RU2716694C1 (ru) * 2019-05-24 2020-03-13 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Устройство для получения порошка, содержащего карбид молибдена

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2489351C2 (ru) * 2011-10-04 2013-08-10 Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН Способ получения наночастиц карбида молибдена
CN102583380A (zh) * 2012-02-28 2012-07-18 吉林大学 钼的碳化物的高温高压制备方法
RU2716694C1 (ru) * 2019-05-24 2020-03-13 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Устройство для получения порошка, содержащего карбид молибдена

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
O. MATSUMOTO et al., Formation of Molybdenum and Tungsten Carbides by Heating in Plasma Jet, DENKI KAGAKU OYOBI KOGYO BUTSURI KAGAKU, 1976, 44(12), pp. 815-817. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2806983C1 (ru) * 2023-02-22 2023-11-08 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Низкотемпературный карботермический синтез пленок карбида димолибдена на поверхности углеродного носителя
RU2811044C1 (ru) * 2023-05-23 2024-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения порошка карбида молибдена

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5876684A (en) Methods and apparati for producing fullerenes
JP6348233B2 (ja) 粉体の高エネルギー球入破砕における冷プラズマ放電支援の応用方法および装置
TWI429585B (zh) Carbon nanotubes growth substrate, carbon nanotubes growth method, carbon nanotubes growth catalyst with particle size control method, and nano-carbon tube diameter control method
KR101373640B1 (ko) 양파 모양 카본의 제작 방법
Karpov et al. Method for producing nanomaterials in the plasma of a low-pressure pulsed arc discharge
JP2003509229A (ja) 電熱銃合成によるナノ粒径材料の大量製造法及び装置
JP5649186B2 (ja) オニオンライクカーボンおよびその製造方法
US20230405674A1 (en) Continuous low-temperature plasma powder treatment and ball-milling production device and method thereof
CN112864453A (zh) 一种去除固态电解质表面杂质的方法
JP2008280195A (ja) Ｃｎｔ成長方法
RU2455119C2 (ru) Способ получения наночастиц
Liu et al. High-power instant-synthesis technology of carbon nanomaterials and nanocomposites
US3738828A (en) Method of powder activation
RU2748929C1 (ru) Способ получения нанокристаллического кубического карбида молибдена
JP5716155B2 (ja) ナノカーボン製造用粉末及び金属内包フラーレンの生成方法
Zhang et al. Plasma catalytic synthesis of silver nanoparticles
Harbec et al. Carbon nanotubes from the dissociation of C2Cl4 using a dc thermal plasma torch
RU2707673C1 (ru) Способ формирования покрытия из кубического карбида вольфрама
US3932760A (en) Powder activation in an inert atmosphere
RU2730461C1 (ru) Способ получения нанокристаллического кубического карбида вольфрама
RU2749736C1 (ru) Способ получения нанокристаллического диоксида титана со структурой анатаз
RU2475298C1 (ru) Способ получения нанопорошков из различных электропроводящих материалов
Jagdeo Physical Methods for Synthesis of Nanoparticles
RU2747329C1 (ru) Способ получения порошка, содержащего нанокристаллический кубический карбид вольфрама
RU2807261C1 (ru) Способ получения порошкового металломатричного композита из меди и карбида кремния