RU2690464C1 - Method for synthesis of carbon-mineral composite for producing electrode material of devices storing electric energy - Google Patents
Method for synthesis of carbon-mineral composite for producing electrode material of devices storing electric energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690464C1 RU2690464C1 RU2018119618A RU2018119618A RU2690464C1 RU 2690464 C1 RU2690464 C1 RU 2690464C1 RU 2018119618 A RU2018119618 A RU 2018119618A RU 2018119618 A RU2018119618 A RU 2018119618A RU 2690464 C1 RU2690464 C1 RU 2690464C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- template
- carbon
- particles
- graphene
- Prior art date
Links
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 61
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011707 mineral Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 61
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 title claims description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 278
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 165
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 129
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 114
- 239000000047 product Substances 0.000 claims abstract description 86
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 claims abstract description 80
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 72
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 64
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 claims abstract description 34
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 32
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 21
- 150000002430 hydrocarbons Chemical group 0.000 claims abstract description 20
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 17
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims abstract description 15
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000002265 prevention Effects 0.000 claims abstract description 12
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 53
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 51
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 22
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 17
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 17
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 17
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 14
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 14
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 11
- 239000001273 butane Substances 0.000 claims description 11
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000001294 propane Substances 0.000 claims description 11
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 claims description 6
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 14
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- -1 for example Substances 0.000 abstract description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 abstract 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 29
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 29
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 19
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 18
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 description 16
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 11
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 11
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 11
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 10
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 9
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 9
- 238000012549 training Methods 0.000 description 9
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 4
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- VTHJTEIRLNZDEV-UHFFFAOYSA-L magnesium dihydroxide Chemical group [OH-].[OH-].[Mg+2] VTHJTEIRLNZDEV-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000000347 magnesium hydroxide Substances 0.000 description 2
- 229910001862 magnesium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- OUHCLAKJJGMPSW-UHFFFAOYSA-L magnesium;hydrogen carbonate;hydroxide Chemical compound O.[Mg+2].[O-]C([O-])=O OUHCLAKJJGMPSW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000012264 purified product Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
-
- 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
- B82B3/0095—Manufacture or treatments or nanostructures not provided for in groups B82B3/0009 - B82B3/009
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к области химии, в частности, к получению углеродного материала для устройств, запасающих электрическую энергию, а именно, суперконденсаторов.The technical solution relates to the field of chemistry, in particular, to the production of carbon material for devices that store electrical energy, namely, supercapacitors.
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.A known method for the synthesis of carbon-mineral composite for the production of electrode material devices that store electrical energy (patent RU 2480405 for the invention). The known method includes pyrolysis in a horizontal tubular reactor of hydrocarbons when heated on a catalyst, which is used as magnesium oxide powder, in a continuous or batch mode, with carbon deposited on the catalyst. Perform pyrolysis of natural gas / methane. The synthesis is carried out at a temperature of from 800 to 950 ° C. The catalyst is magnesium oxide (MgO) is obtained by decomposition of magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ). The crystalline particles of the catalyst, magnesium oxide, as well as the starting magnesium hydroxide, are in the form of hexagons with a diameter of 100 to 1000 nm and a thickness of 50 to 300 nm. A composite is obtained with carbon deposition and the formation of graphene with a thickness of at least one monolayer.
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.The method does not solve the technical problem of improving the quality of the electrode material of the devices that store electrical energy, improve the operating parameters of the devices, reduce the cost of the technology for producing the electrode material and increase its performance.
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.The disadvantages that impede the solution of a technical problem include not quite high uniformity - uniformity over the surface, carbon deposition on the matrix, which is a catalyst, relatively high consumption of raw materials for the synthesis of materials, contamination of the resulting composite, insufficiently high capacitive characteristics of devices storing electrical energy, electrodes which are made using the material obtained from the composite synthesized by the above method, an insufficiently high amount carbon deposited per unit mass of the matrix - catalyst. The reasons for the shortcomings are as follows.
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.The method is characterized by incomplete conversion of the gas, which is the source of carbon, into precipitated carbon, the possibility of homogeneous reactions, which causes the formation of by-products, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons, and their condensation, leading to contamination of the resulting composite.
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.The synthesis takes place at a fixed catalyst bed, formed by particles of magnesium oxide and located on a pallet of a tubular horizontal reactor. The supply of carbon-containing gas, carried out to a fixed bed of catalyst, with particles that are in a static state, does not ensure its equal effectiveness with respect to various catalyst particles, for example, located on the surface and in the bulk part of the layer. As a result, the efficiency and uniformity of carbon deposition on the catalyst matrix is low. The forming carbon layer is non-uniform - it is uneven over the matrix surface, the amount of carbon deposited is low per unit mass of the matrix, the costs of the initial materials for the synthesis of materials are high.
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.As the closest analogue, a method for synthesizing a carbon-mineral composite was chosen to produce an electrode material for devices that store electrical energy (patent RU 2641118 for an invention). When implementing the method, temperature preparation of the flow reactor with a loaded template in the form of a powder of nano-sized particles of inorganic material MgO is first carried out to the synthesis temperature by passing an inert gas stream. After preliminary temperature preparation, a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor is passed with a uniform distribution of the template in the carbon precursor medium. At the same time, carbon is deposited on the template and a product is obtained containing a carbon-mineral composite of template particles with a surface coated with graphene of a controlled thickness equal to 1-2 monolayers of graphene or more. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes. Dilution of carbon precursor is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and the uniformity of its deposition. The choice of graphene thickness is combined with the choice of the specific surface of the template, thereby providing the required value of the specific surface of graphene.
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.The given closest analogue does not fully solve the technical problem of improving the quality of the electrode material of devices storing electrical energy, improving the operating parameters of devices, cheapening the technology for producing electrode material and increasing its performance.
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.The disadvantages of the closest analogue are not quite high homogeneity, uniformity, carbon deposition on the matrix, which is used as a template, relatively high consumption of raw materials for the synthesis of materials, pollution of the resulting composite, insufficiently high capacitive characteristics of devices that store electrical energy, the electrodes which are made using the material obtained from the composite synthesized by the above method is not a high enough amount of carbon to be deposited per unit m ssy matrix - template.
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.The nearest analogue is characterized by incomplete conversion of the gas, which is a carbon source, to precipitated carbon, the possibility of homogeneous reactions, which causes the formation of by-products, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons, their condensation and leads to contamination of the resulting composite.
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.The synthesis takes place with a fixed layer of template in the form of a powder of nanoscale particles of inorganic material - MgO. The supply of carbon containing gas, carried out to a fixed template layer, with particles that are in a static state, even with a uniform distribution of the template in the carbon precursor environment, does not ensure its equal effectiveness with respect to various particles. As a result, the efficiency of carbon deposition on the template is not high enough. The carbon layer being formed is not homogeneous enough - it is uniform over the template surface, the amount of carbon being deposited is not high enough per unit mass of the matrix - template, the costs of starting materials for the synthesis of materials are relatively high.
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.The proposed method is aimed at solving the technical problem of improving the quality of the electrode material of devices storing electrical energy, improving the operating parameters of devices, reducing the cost of the technology for producing electrode material and increasing its performance.
Техническим результатом является:The technical result is:
- улучшение равномерности осаждения углерода;- improving the uniformity of carbon deposition;
- снижение расхода исходных для синтеза материалов;- reducing the consumption of initial materials for the synthesis;
- улучшение чистоты получаемого композита;- improvement of the purity of the resulting composite;
- 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;- improvement of capacitive characteristics - specific capacity and specific energy - devices storing electrical energy, made on the basis of a two-electrode cell of a symmetrical design, with electrodes made of a material obtained from the synthesized composite;
- повышение количества осажденного углерода на единицу массы матрицы - темплата.- increase the amount of carbon deposited per unit mass of the matrix - template.
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.The technical result is achieved by the method of carbon-mineral composite synthesis for producing electrode material of devices storing electrical energy, including temperature preparation of a flow reactor with a loaded template in the form of a powder of nanoscale particles of an inorganic material to synthesis temperature by passing an inert gas stream, then passing a gaseous mixture stream from carbon diluent and carbon precursor, carbon deposition on the template and product preparation, containing its carbon-mineral composite of template particles with a surface coated with graphene of controlled thickness, the carbon precursor being chosen from hydrocarbons of a number of alkanes; diluting carbon precursor controls the amount of carbon deposited onto the template surface and its precipitation uniformity, and choosing the thickness of the template , thereby ensuring the required value of the specific surface of graphene, in the method after obtaining a product containing carbon-mineral composite from h Templates with a graphene coated surface of a controlled thickness carry out a cleansing treatment that removes polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition, and by passing a gaseous mixture stream from a diluent gas and carbon precursor, precipitating carbon on the template and obtaining the product, containing a carbon-mineral composite of template particles with a surface coated with graphene of controlled thickness, the reactor is rotated relative to its a rod axis, while the rotation speed value is selected based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring their mixing by rotating the reactor and sliding to the bottom under the action of gravity of the particles, in addition, the reactor is oriented in space its longitudinal axis horizontally, or oriented at an angle to the horizontal, while setting the value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the output tverstii reactor providing template particles moving speed through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, which is deposited on carbon, sufficient for the formation of no more than three monolayers graphene.
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.The method uses a template in the form of a powder of nano-sized particles of an inorganic material — MgO, with a size in diameter of 10 to 15 nm, with a specific surface area of 60 to 70 m 2 / g, including the indicated values, temperature preparation of the flow reactor with a loaded template, carried out at passing an inert gas stream until the synthesis temperature is established, which ensures decomposition of the carbon precursor and carbon deposition on the template, about 720 ° C, argon is used as an inert gas.
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.In the method, when passing a stream of gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, choosing a hydrocarbon of a number of alkanes as a carbon precursor, a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane, as a diluent gas is used Argon, carbon precursor dilution, controls the amount of carbon deposited on the template surface and its precipitation uniformity when blowing the mixture with an inert gas flow rate from 5 to 10 l / h, including the indicated values, with propane-b mixture consumption of from 20 to 40 l / h, including the specified values, and obtaining the amount of carbon deposited on the template about 9.5% by weight of the template.
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.In the method, the choice of graphene thickness is combined with the choice of the specific surface of the template, thereby providing the required value of the specific surface of graphene, namely, to form no more than three graphene monolayers, choose a specific surface of the template equal to 60-70 m 2 / g, which ensures the required value The specific surface area of graphene is about 1000 m 2 / g.
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.In the method, after receiving a product containing a carbon-mineral composite of template particles with a surface coated with graphene of controlled thickness, it is cleared by treatment, removing the by-products formed during carbon deposition — polycyclic aromatic hydrocarbons, namely, it is subjected to high-temperature cleansing treatment from 400 to 720 ° C, including the indicated values, for about 1 hour, while passing a stream of inert gas of argon or nitrogen with a flow rate from 25 l / h to 50 l / h, including I specified values, with high-temperature cleaning treatment, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from densely concentrating particles at the reactor wall and ensuring their mixing by rotating the reactor and slipping to the bottom under the action of gravity of the particles, namely, about 1.4 revolutions per minute, in addition, the reactor is oriented in space with the location of its longitudinal axis horizontally, or oriented at an angle to the horizontal, while setting the value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.In the method, after receiving a product containing a carbon-mineral composite of template particles with a surface coated with graphene of controlled thickness, it is treated by cleansing, removing the by-products formed during carbon deposition — polycyclic aromatic hydrocarbons, namely, it is processed in acetone, using a filter, the product is washed in flow through mode in acetone, carrying out washing to achieve transparency of the passing acetone through the product being washed, followed by carbon eralny composite was dried in air at a temperature of from 20 to 100 ° C for about 2 hours.
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.In the method, by passing a stream of gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, deposition of carbon on a template and obtaining a product containing a carbon-mineral composite of template particles with a surface covered with graphene of controlled thickness, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, with this value of the rotational speed is chosen based on the prevention in the field of centrifugal forces of dense ring concentration of particles at the reactor wall and ensuring their mixing due to rotation of the reactor and slipping to the bottom under the action of gravity of the particles, namely up to 1.4 revolutions per minute.
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.The method establishes the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor providing the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form no more than three monolayers of graphene, namely more than 15 degrees.
Суть технического решения поясняется нижеследующим описанием.The essence of the technical solution is explained in the following description.
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.When implementing the proposed method, a heterogeneous process proceeds, followed by a chemical reaction at the interface between a solid (template) - gas (a stream of gaseous mixture from a diluent gas and a carbon precursor). It is known that there are two extreme regions of the flow of a heterogeneous process - kinetic and diffusion. During the process in the kinetic region, its speed is limited by the rate of chemical reactions. For a process occurring in the diffusion region, a small amount of the conditional activation energy is characteristic, the temperature has a small effect on the process rate, and the process rate is limited by the diffusion rate.
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.All heterogeneous processes are associated with the transfer of matter. In them, in particular, three stages can be distinguished: supply of the reagent to the surface; chemical reaction on the surface; removal of the reaction product from the surface. The first and last stage is carried out by diffusion. In many cases, a chemical reaction could proceed very quickly if the supply of the reagent to the surface would occur quickly enough. Such processes, which include the process occurring during the implementation of the proposed method, are diffusion controlled. The speed of the process is determined by the rate of substance transfer (diffusion). If the chemical reaction carried out in the second stage has a high activation energy, then this stage is the slowest. The process is not accelerated with a sufficiently fast supply of the reagent to the surface. Such a heterogeneous process is called kinetically controlled. To accelerate it is necessary to increase the temperature.
Изменяя условия проведения процесса осаждения, можно организовать требуемое его протекание.Changing the conditions of the deposition process, you can organize the desired course.
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.When implementing the proposed method, it is necessary to achieve a uniform, uniform deposition of carbon on the template. This means that the reactants supplied to the surface of the solid phase should be distributed evenly over its surface, since it is only under this condition that the reaction product is formed over the entire surface. Uniform deposition is achieved when the process of mass transfer is organized in such a way that the reagents are able to diffuse over long distances, getting to the surface and not immediately reacting to the formation of the product, that is, slowing down the chemical reaction. As you know, the rate of chemical reaction depends on the concentration of reagents on the surface. The lower the concentration of the reactants, the slower the course of the reaction and, as a result, the rate of product formation on the surface of the solid phase is reduced, and the reactants are allowed to diffuse, being distributed more evenly over the surface of the solid phase. Lowering the concentration of reagents and, as a consequence, preventing their premature entry into the reaction, before they are evenly distributed over the surface of the solid phase, is dilution, which is used both in the proposed method and in the closest analogue. Dilution of carbon precursor is a technique by which the uniformity and rate of carbon deposition on the matrix (template) is controlled. Since porous granules consisting of magnesium oxide crystallites are used as a template with a developed specific surface area, at high deposition rates, which is typical in the absence of dilution, carbon will be deposited only on the outer surface of the granules, with no deposition on the surfaces of the pores and folds. Achieving the desired specific surface area of the formed layer on the template will be impracticable. With a high deposition rate, diffusion does not have time to occur in the volume of the granule — folds and pores. The result is an uneven distribution of precipitated carbon over the template surface.
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.In view of the above, the following should also be noted. If the powdered template is evenly distributed in the carbon precursor environment, in the limiting case forming a layer of one particle thickness when the particles are in contact only with the supporting surface on which the template is located, but the template is stationary, only part of the template surface interacts with the carbon precursor which is washed by the flow of the gaseous mixture from the diluent gas and the carbon precursor. The part of the template surface that is in contact with the supporting surface remains passive. In this regard, the process of mass transfer, despite the implementation of the dilution of carbon precursor, is organized so that the reagents are not able to diffuse, falling on the entire surface of the template.
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.Therefore, in order to more efficient mass transfer (to the entire template surface) in the proposed solution, by passing a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on the template, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotation speed value is selected based on prevent in the field of centrifugal forces dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensure mixing by sliding along the wall to the bottom under the action of gravity particles. Mixing when carrying out the synthesis in a tubular reactor of the horizontal type makes the passive part of the template's surface active, providing access to the reagent. Thus, the efficiency of the mass transfer process is increased.
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.As a rule, in rotating devices, when a centrifugal force acts on the dispersed phase, separation occurs. For example, a slurry introduced into a rotating drum is thrown against the wall by centrifugal force. Directly particles are concentrated on the wall, and the liquid occupies the central part of the drum. In the proposed method, the goal is to achieve effective mass transfer by mixing. In connection with this, the slow rotation of the reactor is used, during which it is not the separation process that takes place, but mixing.
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.Providing a more efficient mass transfer due to the rotation of the reactor and mixing with this template helps to improve the homogeneity of carbon deposition, making its deposition more uniform than in the nearest analogue. The consumption of initial materials for the synthesis of materials — a template and a gaseous mixture of a diluent gas and a carbon precursor — is reduced. Since the active area of the template increases with mixing, the smaller amount of template can be dispensed with while precipitating the required amount of carbon. In addition, due to more efficient mass transfer, the conversion of hydrocarbons used as a carbon source to carbon is improved, which means that a smaller amount of the gaseous mixture is required when precipitating the required amount of carbon. For the same reasons, an increase in the amount of carbon deposited per unit mass of the matrix - template is achieved. Also, due to the more complete conversion of hydrocarbons to carbon deposited on the template, the possibility of homogeneous reactions with the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons, their condensation and contamination of the resulting composite by them is reduced.
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.The reactor during the deposition is oriented in space with the location of its longitudinal axis horizontally, or oriented at an angle to the horizontal, while setting the value of the angle formed by the horizontal and longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the template particles through the reactor in the direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form at least 1-2 graphene monolayers, but not more than three graphene monolayers. The angle can be set in order to achieve a different speed of movement, ensuring the formation of more than 1-2 graphene monolayers, depending on the amount of carbon that is required to be deposited on the template, on the value of the resulting specific surface of graphene and other parameters. Orientation in the space of the reactor at an angle to the horizontal, on the one hand, helps to improve mass transfer due to the additional components of the mixing motion. On the other hand, this ensures transportation of the loaded template along the reactor, transportation of the product obtained to the outlet of the reactor and its unloading into the receiver. When reaching the edge of the outlet, the intermediate product is poured into the receiver located under the opening. It should be noted that the slope of the reactor allows you to implement a continuous mode of obtaining the product, organizing the continuous loading of the template at the reactor inlet using, for example, screw feeders.
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.In the proposed method for the synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of devices that store electrical energy, an additional step is introduced to purify the resulting product as a result of carbon deposition on the template. So, after receiving a product from template particles coated with graphene, which is an intermediate product containing impurities, it is subjected to its purification treatment, removing the by-products formed during carbon deposition - polycyclic aromatic hydrocarbons. This cleaning treatment is carried out either using high-temperature treatment in the reactor, or using flow rinsing with acetone.
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.Improvement of capacitive characteristics — specific capacity and specific energy — devices storing electrical energy, made on the basis of a two-electrode cell of a symmetrical design, with electrodes made of a material obtained from the synthesized composite, results from a reduction in the resulting polycyclic aromatic products in the resulting final product hydrocarbons, mainly naphthalene and anthracene. The content reduction is provided, firstly, due to a more complete conversion of hydrocarbons to carbon deposited on the template, achieved due to more efficient mass transfer to the template surface using rotation and tilting of the reactor and mixing with the template, and, accordingly, less formation of side products reaction. Secondly, as a result of the ongoing final purification treatment of the intermediate product, specially undertaken to clean it.
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.Thus, the above essential features in accordance with the disclosed mechanisms ensure the achievement of the aforementioned complex technical result, due to which the technical problem of improving the quality of the electrode material of devices storing electrical energy, improving the operating parameters of devices, reducing the cost of producing electrode material and increasing its performance is more fully resolved .
Реализация способа осуществляется в три этапа.The implementation of the method is carried out in three stages.
Первый этап является подготовительным.The first stage is preparatory.
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.Receive the template. As such, choose, in particular, magnesium oxide or another. Magnesium oxide is obtained by calcining magnesium hydroxycarbonate at a temperature of about 720 ° C, including the indicated values, in air. Prodka spend about 4-6 hours. Prepare magnesium oxide with a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
На втором этапе осуществляют получение промежуточного продукта, который предстоит после реализации данного этапа очистить от загрязнений.At the second stage, an intermediate product is obtained, which is to be cleared of impurities after the implementation of this stage.
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.Conduct temperature training flow reactor with a loaded template in the form of a powder of nanoscale particles of inorganic material to the synthesis temperature by passing an inert gas stream. Then pass the flow of the gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor. Carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness on the surface of the particles. The carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes. Dilution of carbon precursor is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and the uniformity of its deposition. The choice of graphene thickness is combined with the choice of the specific surface of the template, thereby providing the required value of the specific surface of graphene. By passing a stream of gaseous mixture from a diluent gas and a carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template coated with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis. The value of the rotational speed is chosen based on the prevention in the field of centrifugal forces of dense ring concentration of particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding to the bottom under the action of the force of gravity of the particles, respectively, of the template on which carbon is deposited, covered with graphene. Rotational speed set at 1.4 revolutions per minute. The reactor is oriented in space with the location of its longitudinal axis at an angle to the horizontal, or oriented at an angle to the horizontal, while setting the value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor providing the speed of movement of the template particles through the reactor in the direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form at least 1-2 graphene monolayers, but not more than three monolayers. The angle is set for these purposes not more than 15 degrees.
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.The template is used in the form of a powder of nano-sized particles of an inorganic material — for example, MgO, that is, a metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of the structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions. The particle size of the template in diameter ranges from 10 to 15 nm. The template particles have a developed specific surface area - from 60 to 70 m 2 / g, which provides the prerequisites for obtaining graphene during the deposition of carbon on the template with the required specific surface area. Temperature preparation of the flow reactor with a loaded template is carried out by passing an inert gas stream until the synthesis temperature is established. At temperature preparation of the reactor it is possible to bring it into rotation. The temperature should ensure the decomposition of the carbon precursor and the carbon deposition on the template. The temperature is chosen about 720 ° C. Argon is used as inert gas. Perhaps instead of argon use nitrogen. Pass the stream of inert gas with a flow rate of 20 l / h.
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.By passing a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, for which carbon is chosen as a carbon alkane hydrocarbon precursor, for example, a propane-butane mixture with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane is used. Argon is used as a diluent gas. Dilution of carbon precursor is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and the uniformity of its deposition. To precipitate carry out the blowing of the mixture with the supply of inert gas flow rate from 5 to 10 l / h, including the specified values, with the flow of a mixture of propane-butane flow rate from 20 to 40 l / h, including the specified values. The amount of carbon deposited per template is about 9.5% by weight of the template.
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.When carbon is deposited on a template and a product is obtained, from template particles coated with graphene of controlled thickness, in which the choice of graphene thickness is combined with the choice of the specific surface of the template, thereby providing the required specific surface area of graphene, namely for forming at least 1-2 monolayers graphene, but not more than three monolayers, choose a specific surface of the template equal to 60-70 m 2 / g, which ensures the required value of the specific surface of graphene about 1000 m 2 / g.
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.The resulting intermediate product contains, by volume, 0.2-0.6 mass% of polycyclic aromatic hydrocarbons — products of polymerization and condensation that were formed during the process of carbon deposition on the template. Therefore, after receiving the product from the particles of the template coated with graphene, it is necessary to remove the products of side reactions. For this purpose, a treatment is undertaken that removes the by-products formed during carbon deposition — polycyclic aromatic hydrocarbons.
На третьем, заключительном, этапе проводят очистку полученного промежуточного продукта. Данный этап можно осуществлять двумя вариантами.At the third and final stage, the resulting intermediate product is purified. This stage can be done in two ways.
В первом варианте используют высокотемпературную очищающую обработку в реакторе.In the first embodiment, a high-temperature cleaning treatment in the reactor is used.
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.The intermediate product obtained and collected in the receiver is loaded into the reactor for purification and its high-temperature treatment is carried out at a temperature not lower than the boiling point of the aromatic compounds formed, mainly naphthalene, anthracene. The result is the volatilization of aromatic compounds, the synthesized product is purified. When implementing a high-temperature cleaning treatment, the reactor is also rotated relative to its longitudinal axis, while the rotation speed value is selected based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing due to the product particles gravitating to the bottom from the template covered with graphene. Stirring facilitates diffusion and removal of the reaction by-product. The speed of rotation, in particular, is set at 1.4 revolutions per minute.
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.The reactor with high-temperature cleaning treatment is oriented in space with the location of its longitudinal axis horizontally, or oriented at an angle to the horizontal, while setting the value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the apex in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in the direction parallel to the axis of the reactor, which corresponds to complete cleaning of the product, not more than 1 m / h. On the one hand, this measure helps to improve the diffusion of the side reaction product withdrawn due to an additional component of the mixing motion. On the other hand, this ensures transportation of the intermediate product being loaded along the reactor, transportation of the resulting final purified product to the outlet of the reactor and its unloading into the receiver.
Ограничение на величину угла предотвращает преждевременную выгрузку из реактора продукта и обеспечивает полную очистку.The limitation on the angle prevents premature unloading of the product from the reactor and ensures complete cleaning.
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.A high-temperature purification treatment is carried out, which removes the by-products formed during carbon deposition — polycyclic aromatic hydrocarbons at a temperature of 400 to 720 ° C, including the indicated values, for about 1 hour. At the same time, an inert gas stream of argon or nitrogen is passed with a flow rate from 25 l / h to 50 l / h, including the indicated values.
Во втором варианте используют очищающую обработку ацетоном.In the second embodiment, using a cleansing treatment with acetone.
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.After obtaining a product containing a carbon-mineral composite of template particles with a surface coated with graphene of controlled thickness, it is subjected to a cleansing treatment in acetone that removes the by-products formed during carbon deposition — polycyclic aromatic hydrocarbons. In this case, using a filter, the product is washed under flow conditions. Carry out washing to achieve transparency of the passing acetone through the washed product. Then the carbon-mineral composite is dried in air at a temperature of from 20 to 100 ° C for about 2 hours.
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.For the implementation of the second stage and the high-temperature purification treatment of the third stage of the described synthesis, a flow tube reactor with a nominal diameter of about 100 mm, a length of about 1600 mm, and a heating zone length of about 1,100 mm can be used. The reactor is equipped with a three-zone electric oven, which, using heaters and thermocouples, maintains the temperature with an accuracy of 1 ° C.
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.During the development of the proposed method for synthesizing carbon composite to obtain an electrode material of devices storing electrical energy, an electrode material obtained from the intermediate and final synthesis products was tested.
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.In order to obtain the electrode material from the intermediate and final products, the template was removed. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting testing measurements were obtained the following capacitive characteristics.
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.When using an electrode material obtained from an intermediate product, data were obtained: specific capacity 28 F / g at a discharge current of 0.2 A / g; specific energy 42 Wh / kg per operating voltage of 3 V.
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.When using the electrode material obtained from the final product, that is, having undergone a high-temperature purification treatment, the data were obtained: the specific capacity reached up to 47 F / g at a discharge current of 0.2 A / g; specific energy reached 57.5 Wh / kg in the calculation of the operating voltage of 3 V.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие конкретные примеры реализации.As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of the technical result, we give the following specific examples of implementation.
Пример 1.Example 1
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures decomposition of the carbon precursor and carbon deposition on the template, about 720 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 5 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 20 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness of 2-3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The deposition is carried out for about 60 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on prevention in the centrifugal field Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 5 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form 2-3 monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the reactor outlet, it is loaded into the reactor and its high-temperature purification treatment is carried out, removing polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition. The treatment is carried out at a temperature of 700 ° C, for about 1 hour, by passing a stream of inert argon gas at a flow rate of 50 l / h. When processing, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding the particles from the template covered by the gravity to the bottom graphene - at a speed of 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is 5 degrees. Set the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting test measurements, a specific capacity of 32 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 2.Example 2
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures the decomposition of the carbon precursor and the carbon deposition on the template, about 700 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 10 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 40 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness equal to 2-3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The precipitation is carried out for about 27 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on the prevention of centrifugal Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 15 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form the specified number of graphene monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the reactor outlet, it is loaded into the reactor and its high-temperature purification treatment is carried out, removing polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition. The treatment is carried out at a temperature of 400 ° C, for about 1 hour, by passing an argon inert gas stream at a flow rate of 25 l / h. When processing, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding the particles from the template covered by the gravity to the bottom graphene - at a speed of 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is 15 degrees. Set the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting test measurements, a specific capacitance of 46 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 3.Example 3
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 25 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures decomposition of the carbon precursor and carbon deposition on the template, about 730 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 7.5 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 30 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness of 2-3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The deposition is carried out for about 40 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on prevention in the centrifugal field Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 11 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form a graphene thickness of 2-3 monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the reactor outlet, it is loaded into the reactor and its high-temperature purification treatment is carried out, removing polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition. The treatment is carried out at a temperature of 720 ° C, for about 1 hour, by passing an argon inert gas stream at a flow rate of 28 l / h. When processing, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding the particles from the template covered by the gravity to the bottom graphene - at a speed of 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is 14 degrees. Set the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting test measurements, a specific capacity of 32 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 4.Example 4
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures the decomposition of the carbon precursor and the carbon deposition on the template, about 700 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 10 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 40 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and a product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness equal to 3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The precipitation is carried out for about 27 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on prevention in the centrifugal field Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 15 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form the specified number of graphene monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the reactor outlet, it is loaded into the reactor and its high-temperature purification treatment is carried out, removing polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition. The treatment is carried out at a temperature of 500 ° C, for about 1 hour, by passing a stream of inert argon gas at a flow rate of 25 l / h. When processing, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding the particles from the template covered by the gravity to the bottom graphene - at a speed of 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is 15 degrees. Set the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting test measurements, a specific capacity of 47 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 5.Example 5
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures the decomposition of the carbon precursor and the carbon deposition on the template, about 700 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 10 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 40 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and a product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness equal to 3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The precipitation is carried out for about 27 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on prevention in the centrifugal field Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 15 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form the specified number of graphene monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the reactor outlet, it is loaded into the reactor and its high-temperature purification treatment is carried out, removing polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition. The treatment is carried out at a temperature of 600 ° C for about 1 hour, by passing a stream of inert argon gas at a flow rate of 25 l / h. When processing, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding the particles from the template covered by the gravity to the bottom graphene - at a speed of 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is 15 degrees. Set the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting testing measurements, a specific capacity of 36 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 6.Example 6
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures the decomposition of the carbon precursor and the carbon deposition on the template, about 700 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 10 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 40 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness of 2-3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The precipitation is carried out for about 27 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on the prevention of centrifugal Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 15 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient to form the specified number of graphene monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the reactor outlet, it is loaded into the reactor and its high-temperature purification treatment is carried out, removing polycyclic aromatic hydrocarbons formed during carbon deposition. The treatment is carried out at a temperature of 300 ° C, for about 1 hour, by passing a stream of inert argon gas at a flow rate of 25 l / h. When processing, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the rotational speed is chosen based on preventing centrifugal forces in the field from tightly concentrating particles at the reactor wall and ensuring mixing by sliding the particles from the template covered by the gravity to the bottom graphene - at a speed of 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is 15 degrees. Set the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, providing the speed of movement of the product being cleaned through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, corresponding to complete cleaning of the product, not more than 1 m / hour.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting testing measurements, a specific capacity of 30 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 7.Example 7
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures decomposition of the carbon precursor and carbon deposition on the template, about 720 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with the supply of inert gas with a flow rate of 5 l / h and feeding the propane-butane mixture with a flow rate of 20 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness of 2-3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The deposition is carried out for about 60 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on the prevention of centrifugal Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 5 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient for the formation of 2-3 graphene monolayers.
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.After the deposition of carbon on the template, the resulting product from graphene-coated template particles is collected in a receiver located at the outlet of the reactor, and a purification treatment with acetone is carried out. Using a filter, the product is rinsed in flow through in acetone, rinsing until transparency of the passing acetone through the product being washed. Then the carbon-mineral composite is dried in air at a temperature of from 20 to 100 ° C for about 2 hours.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting testing measurements, a specific capacity of 45 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Пример 8.Example 8
Способ синтеза углеродного композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию, осуществляют следующим образом.The method of synthesis of carbon composite to obtain the electrode material of the device, storing electrical energy, is as follows.
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.Previously obtained template, which is used as a powder of nanoscale particles of an inorganic material - metal oxide of the second group, providing chemical and thermal stability, no modification of structure and composition, chemical inertness with respect to carbon, good solubility in acidic solutions of magnesium oxide, is loaded into the reactor . Template - magnesium oxide is characterized by a particle size in the diameter of about 10-15 nm and a specific surface of the template of about 60-70 m 2 / g.
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.Conduct temperature training flow tube reactor with a loaded template to the synthesis temperature by passing an inert gas stream with a flow rate of 20 l / h. Argon is used as inert gas. The preparation is carried out until the temperature of the synthesis is established, which ensures decomposition of the carbon precursor and carbon deposition on the template, about 720 ° C.
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.Then pass a stream of gaseous mixture from the diluent gas and carbon precursor, feeding it through the inlet. Moreover, the carbon precursor is selected from hydrocarbons of a number of alkanes - using a mixture of propane-butane with a composition by volume of 2% ethane, 18% butane and 80% propane. Argon is used as a diluent gas. The carbon precursor dilution is controlled by the amount of carbon deposited on the template surface and its deposition uniformity when blowing the mixture with an inert gas feed at a rate of 5 l / h and feeding a mixture of propane-butane at a flow rate of 20 l / h. Get the amount of carbon deposited on the surface of the template, amounting to about 9.5% by weight of the template. At the same time, carbon is deposited on the template and the product is obtained from template particles coated with graphene of controlled thickness of 2-3 graphene monolayers. The choice of the thickness of graphene is combined with the choice of the specific surface of the template to obtain the specific surface of graphene of the required value of 1000 m 2 / g. The deposition is carried out for about 60 minutes. When implementing the flow of a gaseous mixture from a diluent gas and carbon precursor, carbon is deposited on a template and a product is obtained from particles of a template covered with graphene, the reactor is rotated relative to its longitudinal axis, the value of the rotational speed is chosen based on the prevention of centrifugal Forces of dense ring concentration of particles at the wall of the reactor and ensuring mixing by sliding to the bottom by the action of gravity of the particles of the template on which they are deposited glerod and the formed intermediate product - about 1.4 revolutions per minute. In addition, the reactor is oriented in space in such a way that the angle formed by the horizontal and the longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, is about 5 degrees. The value of the angle formed by the horizontal and longitudinal axis of the reactor, with the top in the outlet of the reactor, provides the speed of movement of the template particles through the reactor in a direction parallel to the axis of the reactor, on which carbon is deposited, sufficient for the formation of 2-3 graphene monolayers.
Последующую очистку не осуществляют.Subsequent cleaning is not carried out.
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.Conducted testing of the resulting electrode material from the intermediate product of the carbon-mineral composite after removing the template. A two-electrode cell of a symmetrical design was formed, which was filled with an ionic liquid that performs the function of an electrolyte. When conducting test measurements, a specific capacity of 28 F / g was obtained at a discharge current of 0.2 A / g.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018119618A RU2690464C1 (en) | 2018-05-28 | 2018-05-28 | Method for synthesis of carbon-mineral composite for producing electrode material of devices storing electric energy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018119618A RU2690464C1 (en) | 2018-05-28 | 2018-05-28 | Method for synthesis of carbon-mineral composite for producing electrode material of devices storing electric energy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2690464C1 true RU2690464C1 (en) | 2019-06-03 |
Family
ID=67037752
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018119618A RU2690464C1 (en) | 2018-05-28 | 2018-05-28 | Method for synthesis of carbon-mineral composite for producing electrode material of devices storing electric energy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2690464C1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480405C1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-04-27 | ЮГ Инвестмент Лтд. | Nanostructured carbon material and method for production thereof |
RU2641118C1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Карбон тех" (ООО "Карбон тех") | Method for forming composite for obtaining electrode material of devices emerging electric energy |
-
2018
- 2018-05-28 RU RU2018119618A patent/RU2690464C1/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480405C1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-04-27 | ЮГ Инвестмент Лтд. | Nanostructured carbon material and method for production thereof |
RU2641118C1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Карбон тех" (ООО "Карбон тех") | Method for forming composite for obtaining electrode material of devices emerging electric energy |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
TAKAHIRO MORISHITA et al., Preparation of porous carbons from thermoplastics precursors and their performance for electric double layer capacitors, Carbon, 2006, v. 44, p.p. 2360-2367. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9422162B2 (en) | Carbon nanotube agglomerate | |
CN106661333B (en) | Conductive polymer material and molded article thereof | |
TWI444442B (en) | Mesoporous carbon black and processes for making same | |
Ishikawa et al. | Heptagonal channel micropore of orthorhombic Mo3VOx as catalysis field for the selective oxidation of ethane | |
CA3116989A1 (en) | Particle systems and methods | |
KR20100059913A (en) | Method for the production of a catalyst used for manufacturing carbon nanotubes | |
JP2007515369A (en) | System and method for manufacturing carbon nanostructures | |
WO2004070094A1 (en) | Method and apparatus for producing carbon nanofibers | |
JP2003300716A (en) | Method for treatment of carbonaceous material and method for obtaining carbon nanotube dispersion and solution | |
JP2024116238A (en) | Lattice-engineered carbons and their chemical functionalization | |
Abdulkareem et al. | Synthesis and Characterization of Tri-metallic Fe–Co–Ni Catalyst Supported on CaCO 3 for Multi-Walled Carbon Nanotubes Growth via Chemical Vapor Deposition Technique | |
Li et al. | Preparation of silicon carbide nanowires via a rapid heating process | |
Sushil et al. | Carbon deposition and phase transformations in red mud on exposure to methane | |
JP4383055B2 (en) | Modified iron oxide | |
JP2006045051A (en) | Method and apparatus for producing carbon nanotube | |
JP2012166989A (en) | Graphene laminated nanocarbon, method for producing the same, and catalyst for production of graphene laminated nanocarbon | |
JP2017024964A (en) | Carbon nanofiber dispersion liquid, and transparent conductive film and transparent conductive film prepared therewith | |
RU2690464C1 (en) | Method for synthesis of carbon-mineral composite for producing electrode material of devices storing electric energy | |
Yang et al. | In-situ construction and catalytic property of highly exposed Lewis acidity on hierarchical Zr-zeolite assisted by K+ cation | |
Liu et al. | Morphology adjustment of one dimensional CeO 2 nanostructures via calcination and their composite with Au nanoparticles towards enhanced catalysis | |
Lin et al. | Micromixing in a rotating packed bed with blade packings | |
RU2338686C1 (en) | Method of obtaining carbon nanotubes | |
JP5585275B2 (en) | Carbon nanotube manufacturing method | |
KR100251294B1 (en) | Preparation of carbon microfiber by using transition metal particle supported on alkaline earth metal oxide | |
Knorr et al. | Comparing Different Synthesis Procedures for Carbide‐Derived Carbon‐Based Structured Catalyst Supports |