МЕХАНИЗМ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ НИТЕВИДНОГО УГЛЕРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ НА МЕТАЛЛАХ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА И ИХ СПЛАВАХ С НЕКОТОРЫМИ ДРУГИМИ МЕТАЛЛАМИ

Чесноков В.В., Буянов Р.А.

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

В последние 15-20 лет большое внимание уделяется разработке научных основ приготовления углеродных материалов: фуллеренов, нанотрубок, нитевидного углерода. В настоящей работе рассматривается синтез нитевидного углерода в результате каталитического разложения углеводородов на металлах подгруппы железа и их сплавах с рядом других металлов. Рост нитевидного углерода катализируют высокодисперсные металлические частицы (50-1000 А).

Установлено, что образование нитевидного углерода происходит по механизму 'карбидного цикла'. Этот механизм состоит из двух этапов:

1. Этап химический. На этом этапе происходит каталитическое разложение углеводорода на поверхности металлической частицы, образование атомов углерода и рост их концентрации в металле до определенных предельных значений.

2. Этап физический, на котором происходит образование центров кристаллизации (зародышей) фазы графита, диффузия через объем металлической частицы атомов углерода от мест их образования к центрам кристаллизации графитовой фазы и ее рост с образованием определенной морфологической и кристаллографической разновидности предпочтительно в виде нитей.

Выделено три основных 'базовых' структуры типа графитовых нанонитей: с коаксиально-цилиндрическим, коаксиально-коническим и стопчатым расположением графитовых слоев в теле нанонити, а также группы первичных и вторичных свойств графитовых образований. Сформулированы методы управления синтезом углеродминеральных материалов с заданными свойствами путем вариации свойств катализирующих металлических частиц, природы разлагающихся углеводородов и режимов процесса.

На основе нитевидного углерода получены аккумуляторы водорода с высокой сорбционной емкостью, а также принципиально новые металл-углеродные катализаторы селективного гидрирования 1,3-бутадиена, в которых селективность целенаправленно регулируется набором граней монокристалла металла, доступных для реакционной среды.

Авторы выражают благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку работ по проекту N 00-03-32431а и работы в рамках ведущих научных школ РФ по гранту N 00-15-97440.