Синтез нановуглецю в процесі високовольтного пробою вуглеводнів

Автор(и)

  • Наталя Іванівна Кускова Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-0857-1647
  • Антоніна Павлівна Малюшевська Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0003-0703-6105
  • Микола Сергійович Присташ Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-7617-6200
  • Світлана Федорівна Присташ Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0009-0001-6271-7395
  • Юрій Олегович Адамчук Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0003-2866-3626

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.292774

Ключові слова:

синтез нановуглецю, високовольтний пробій вуглеводнів, масовий вихід продукту, електромагнітні властивості

Анотація

Об’єкт дослідження – механізми синтезу нановуглецевих структур в процесі електричного високовольтного пробою вуглеводнів.

Проблема, що вирішується, – цілеспрямований синтез різних видів нановуглецю при малих втратах сировини.

Встановлено механізми утворення нановуглецю в процесі високовольтного електричного пробою вуглеводнів. Показано, що високовольтний пробій призводить до каскаду хімічних перетворень. Внаслідок перетворень утворюються нижчі газоподібні вуглеводні завдяки деструкції молекул і вищі – в результаті полімеризації, а в результаті дегідроциклізації та полімеризації за участю металевих каталізаторів – різноманітні вуглецеві наноструктури. Показано можливість цілеспрямованого синтезу фулереноподібних структур, нанотрубок діаметром від 10 до 50 нм, нановолокон та плівок. Експериментальні дослідження підтвердили, що якісний та кількісний склад нановуглецю можна варіювати в широкому діапазоні. Зі збільшенням кількості атомів карбону або кількості С–С зв’язків в молекулах сировини за інших рівних умов зростає практичний вихід твердого нановуглецю. Визначено, що синтез структурованого нановуглецю із суміші вуглеводневих газів, що утворюються в результаті високовольтного пробою рідких вуглеводнів, активно відбувається на нікель–хромовій каталітичній поверхні. Збільшення площі каталітичної поверхні осадження призводить до збільшення виходу нановуглецю. Вивчення здатності отриманих зразків нановуглецю до поглинання електромагнітного випромінювання підтвердило перспективність методу високовольтного пробою вуглеводнів для синтезу матеріалів, що ослаблюють електромагнітне випромінювання на частоті від 25 до 38 ГГц. Найбільше ослаблення спостерігається для зразків, що складаються переважно з вуглецевих нанотрубок та наночастинок нікелю

Біографії авторів

Наталя Іванівна Кускова, Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України

Доктор технічних наук, професор, заступник директора з наукової роботи

Антоніна Павлівна Малюшевська, Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України

Кандидат технічних наук, доцент, старший науковий співробітник

Відділ високовольтних імпульсних електротехнічних систем

Микола Сергійович Присташ, Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Відділ імпульсної обробки дисперсних систем

Світлана Федорівна Присташ, Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Відділ імпульсної обробки дисперсних систем

Юрій Олегович Адамчук, Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України

Молодший науковий співробітник

Відділ високовольтних імпульсних електротехнічних систем

Посилання

  1. Zhang, Z., Ohta, S., Shiba, S., Niwa, O. (2022). Nanocarbon film electrodes for electro-analysis and electrochemical sensors. Current Opinion in Electrochemistry, 35, 101045. doi: https://doi.org/10.1016/j.coelec.2022.101045
  2. Han, L., Song, Q., Li, K., Yin, X., Sun, J., Li, H. et al. (2021). Hierarchical, seamless, edge-rich nanocarbon hybrid foams for highly efficient electromagnetic-interference shielding. Journal of Materials Science & Technology, 72, 154–161. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.07.020
  3. Xiao, Z., Kong, L. B., Ruan, S., Li, X., Yu, S., Li, X. et al. (2018). Recent development in nanocarbon materials for gas sensor applications. Sensors and Actuators B: Chemical, 274, 235–267. doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.07.040
  4. Pašti, I. A., Janošević Ležaić, A., Gavrilov, N. M., Ćirić-Marjanović, G., Mentus, S. V. (2018). Nanocarbons derived from polymers for electrochemical energy conversion and storage – A review. Synthetic Metals, 246, 267–281. doi: https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2018.11.003
  5. Zhang, F., Zhang, H. (2021). Applications of nanocarbons in redox flow batteries. New Carbon Materials, 36 (1), 82–92. doi: https://doi.org/10.1016/s1872-5805(21)60006-9
  6. Madhu, R., Periasamy, A. P., Schlee, P., Hérou, S., Titirici, M.-M. (2023). Lignin: A sustainable precursor for nanostructured carbon materials for supercapacitors. Carbon, 207, 172–197. doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.03.001
  7. Liang, Y. N., Oh, W.-D., Li, Y., Hu, X. (2018). Nanocarbons as platforms for developing novel catalytic composites: overview and prospects. Applied Catalysis A: General, 562, 94–105. doi: https://doi.org/10.1016/j.apcata.2018.05.021
  8. Tang, C., Titirici, M.-M., Zhang, Q. (2017). A review of nanocarbons in energy electrocatalysis: Multifunctional substrates and highly active sites. Journal of Energy Chemistry, 26 (6), 1077–1093. doi: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2017.08.008
  9. Driscoll, N., Dong, R., Vitale, F. (2021). Emerging approaches for sensing and modulating neural activity enabled by nanocarbons and carbides. Current Opinion in Biotechnology, 72, 76–85. doi: https://doi.org/10.1016/j.copbio.2021.10.007
  10. Yang, N., Jiang, X. (2017). Nanocarbons for DNA sequencing: A review. Carbon, 115, 293–311. doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.01.012
  11. Elkodous, M. A., Olojede, S. O., Sahoo, S., Kumar, R. (2023). Recent advances in modification of novel carbon-based composites: Synthesis, properties, and biotechnological/ biomedical applications. Chemico-Biological Interactions, 379, 110517. doi: https://doi.org/10.1016/j.cbi.2023.110517
  12. Zhang, X., Zhao, N., He, C. (2020). The superior mechanical and physical properties of nanocarbon reinforced bulk composites achieved by architecture design – A review. Progress in Materials Science, 113, 100672. doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100672
  13. Rud, A. D., Kornienko, N. E., Kirian, I. M., Kirichenko, A. N., Kucherov, Oleksandr. P. (2018). Local heteroallotropic structures of carbon. Materials Today: Proceedings, 5 (12), 26089–26095. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.035
  14. Rud, A. D., Kornienko, N. E., Polunkin, I. V., Boguslavskii, L. Z., Vinnichenko, D. V., Kirian, I. M. et al. (2023). Structure of carbon nanospheres modified with oxygen-containing groups and halogens. Applied Nanoscience, 13 (10), 6929–6937. doi: https://doi.org/10.1007/s13204-023-02817-2
  15. García-Ruiz, D. L., Granados-Martínez, F. G., Gutiérrez-García, C. J., Ambriz-Torres, J. M., Contreras-Navarrete, J. de J., Flores-Ramírez, N. et al. (2021). “Synthesis of carbon nanomaterials by chemical vapor deposition method using green chemistry principles.” Handbook of Greener Synthesis of Nanomaterials and Compounds, 273–314. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-821938-6.00008-6
  16. Gerberich, W. W., Jungk, J. M., Mook, W. M. (2003). The bottom-up approach to materials by design. Nano and Microstructural Design of Advanced Materials, 211–220. doi: https://doi.org/10.1016/b978-008044373-7/50046-2
  17. Kumar, R., Pérez del Pino, A., Sahoo, S., Singh, R. K., Tan, W. K., Kar, K. K. et al. (2022). Laser processing of graphene and related materials for energy storage: State of the art and future prospects. Progress in Energy and Combustion Science, 91, 100981. doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100981
  18. Wang, P., Hao, X., Tang, B., Abudula, A., Guan, G. (2022). Nanocarbon-based metal-free catalysts. Carbon-Based Metal Free Catalysts, 1–19. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-323-88515-7.00006-7
  19. Pandey, A., Chauhan, P. (2023). Functionalized graphene nanomaterials: Next-generation nanomedicine. Functionalized Carbon Nanomaterials for Theranostic Applications, 3–18. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-824366-4.00020-0
  20. Woldu, A. R., Huang, Z., Zhao, P., Hu, L., Astruc, D. (2022). Electrochemical CO2 reduction (CO2RR) to multi-carbon products over copper-based catalysts. Coordination Chemistry Reviews, 454, 214340. doi: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214340
  21. Yan, G., Fu, H., Zhao, Y., Sun, Z., Zhang, B. (2022). A review on optimizing potentials of high voltage pulse breakage technology based on electrical breakdown in water. Powder Technology, 404, 117293. doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117293
  22. Zhu, L., He, Z.-H., Gao, Z.-W., Tan, F.-L., Yue, X.-G., Chang, J.-S. (2014). Research on the influence of conductivity to pulsed arc electrohydraulic discharge in water. Journal of Electrostatics, 72 (1), 53–58. doi: https://doi.org/10.1016/j.elstat.2013.11.004
  23. Park, H.-K., Park, D.-H., Chung, B.-J. (2023). Influence of the electrolyte conductivity on the critical current density and the breakdown voltage. Chinese Journal of Chemical Engineering, 59, 169–175. doi: https://doi.org/10.1016/j.cjche.2023.01.007
  24. Kuskova, N. I., Yushchishina, A. N., Malyushevskaya, A. P., Tsolin, P. L., Petrichenko, L. A., Smal’ko, A. A. (2010). Production of carbonic nanomaterials in the course of electrodischarge treatment of organic liquids. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 46 (2), 149–153. doi: https://doi.org/10.3103/s1068375510020110
  25. Kuskova, N. I., Baklar’, V. Yu., Terekhov, A. Yu., Yushchishina, A. N., Petrichenko, S. V., Tsolin, P. L., Malyushevskaya, A. P. (2014). Synthesis of carbon nanomaterials from gases generated in the course of the electrodischarge treatment of organic liquids. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 50 (2), 101–105. doi: https://doi.org/10.3103/s1068375514020094
  26. Kuskova, N. I., Dubovenko, K. V., Petrichenko, S. V., Tsolin, P. L., Chaban, S. O. (2013). Electrodischarge technology and equipment to produce new carbon nanomaterials. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 49 (3), 215–221. doi: https://doi.org/10.3103/s1068375513030095
  27. Zhao, D., Li, X., Shen, Z. (2008). Microwave absorbing property and complex permittivity and permeability of epoxy composites containing Ni-coated and Ag filled carbon nanotubes. Composites Science and Technology, 68 (14), 2902–2908. doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.10.006
  28. Kuskova, N. I., Syzonenko, O. M., Torpakov, A. S. (2020). Electric discharge method of synthesis of carbon and metal–carbon nanomaterials. High Temperature Materials and Processes, 39 (1), 357–367. doi: https://doi.org/10.1515/htmp-2020-0078
  29. Gaffney, J. S., Marley, N. A. (2018). Kinetics and the Rate of Chemical Reactions. General Chemistry for Engineers, 283–317. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-810425-5.00009-6
  30. Kucherov, O., Rud, A., Gubanov, V., Biliy, M. (2020). Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds. American Journal of Applied Chemistry, 8 (4), 94. doi: https://doi.org/10.11648/j.ajac.20200804.11
  31. Sergiienko, R., Shibata, E., Akase, Z., Suwa, H., Nakamura, T., Shindo, D. (2006). Carbon encapsulated iron carbide nanoparticles synthesized in ethanol by an electric plasma discharge in an ultrasonic cavitation field. Materials Chemistry and Physics, 98 (1), 34–38. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.08.064
  32. Dolmatov, V. Yu., Myullyumyaki, V., Vehanen, A. (2013). Vozmozhniy mehanizm obrazovaniya nanoalmaza pri detonatsionnom sinteze. Sverhtverdye materialy, 3, 19–28. Available at: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126042
  33. Shvartsev, S. L. (2009). Self-organizing Abiogenic Dissipative Structures in the Geologic History of the Earth. Earth Science Frontiers, 16 (6), 257–275. doi: https://doi.org/10.1016/s1872-5791(08)60114-1
Синтез нановуглецю в процесі високовольтного пробою вуглеводнів

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-12-22

Як цитувати

Кускова, Н. І., Малюшевська, А. П., Присташ, М. С., Присташ, С. Ф., & Адамчук, Ю. О. (2023). Синтез нановуглецю в процесі високовольтного пробою вуглеводнів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(6 (126), 6–16. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.292774

Номер

Том 6 № 6 (126) (2023): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Nataliya Kuskova, Antonina Malyushevskaya, Mykola Prystash, Svitlana Prystash, Yury Adamchuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.