Węgiel nitkowaty
Węgiel nitkowaty jest strukturą złoża zawierającą węgiel , która odnosi się do kilku odmian alotropowych węgla , w tym nanorurek węglowych , nanowłókien węglowych i mikrozwojów . Powstaje z gazowych związków węgla . Włókniste struktury węglowe zawierają cząsteczki metalu. Są to żelazo , kobalt lub nikiel lub ich stopy. Jego złoża w znaczący sposób zakłócają również metanizację gazu syntezowego . Acetylen bierze udział w wielu metodach produkcji węgla włóknistego. Struktury włóknistego węgla są mezoporowate i mają wymiar w skali mikrometra. Większość reakcji tworzących struktury zachodzi w temperaturze 280 ° C (536 ° F) lub wyższej.
Zastosowania węgla włókienkowego obejmują usuwanie wycieków ropy naftowej oraz tworzenie mocnych i lekkich kompozytów. Węgiel nitkowaty ma również znacznie inne właściwości termodynamiczne niż grafit , inna forma węgla. Jednak węgiel nitkowaty składa się częściowo z arkuszy grafitu.
Nieruchomości
Włókniste struktury węglowe zazwyczaj mają średnicę od 10 do 500 nanometrów. Zwykle mają długość 10 000 nanometrów (10 mikrometrów). Mają budowę dwustronną. Zewnętrzna strona struktur jest trudna do utlenienia , ale rdzeń utlenia się łatwiej. Cząstka metalu zwykle znajduje się na rosnącym końcu struktury, chociaż czasami zamiast tego znajduje się w jej środku. Ponadto z jednej cząsteczki metalu może czasem wyrosnąć więcej niż jedno włókno. Węgiel nitkowaty jest spiralny , prosty lub skręcony . Zawiera warstwy grafitu w kształcie stożka . Płaszczyzny grafitu znajdujące się blisko granicy między atomami węgla i niklu we włóknie są równoległe do granicy faz. Włókna mogą być również puste.
Węgiel włókienkowy ma właściwości termodynamiczne inne niż grafit . Wynika to częściowo z faktu, że struktura węgla nitkowatego jest bardziej nieuporządkowana niż struktura grafitu. Inne teorie dotyczące różnicy we właściwościach zakładają, że odchylenie opiera się na tworzeniu pośredniej fazy węglików . Teoria ta została zaproponowana przez De Bokx et al. oraz Manning i in. . Jednak jest mało prawdopodobne, aby centralnym atomem metalu był nikiel, ponieważ w takim przypadku węgliki rozkładają się w temperaturze 350 ° C (662 ° F), a podczas takiej reakcji nie zaobserwowano tworzenia się węglików.
Różnica między rozpuszczalnością metalu i węgla włókienkowego umożliwia również wystąpienie dyfuzji węgla. Kiedy alotrop bierze udział w zgazowania poniżej 600 ° C (1112 ° F), energia aktywacji reakcji wynosi około 178 kilodżuli na mol .
Węgiel nitkowaty jest mezoporowaty i ma niezwykłe właściwości teksturalne . Posiada również paramagnetyczne . Posiada również wysoki poziom wytrzymałości mechanicznej .
Cząstki niklu znajdujące się w włóknistym węglu, który jest hodowany w gazowym metanie i wodorze w temperaturze od 490 ° C (914 ° F) do 590 ° C (1094 ° F), mają zwykle kształt gruszki w górnym końcu zakresu temperatur . W wyższych temperaturach cząsteczka metalu ulega deformacji. Długość stożkowej struktury włókien również wzrasta wraz z temperaturą. Kiedy miedziany i krzemionkowy jest wystawiony na działanie metanu i wodoru w temperaturze 927 ° C (1701 ° F), powstały puste, długie włókniste struktury węglowe, które również zawierały krople metalu.
Właściwości biologiczne
Gdy enzym glukoamylaza znajduje się na powierzchni ceramicznej pokrytej włóknistym węglem, stabilność enzymu drastycznie wzrasta.
Występowanie
Węgiel włóknisty zwykle tworzy się na metalach, w tym żelazie , kobalcie i niklu . Wodór jest również potrzebny do powstania włókna węglowego. Jednak tworzą się one również na stopach tych metali. Żelazo jest lepszym materiałem do formowania węgla włóknistego niż nikiel. Na przykład w obecności metanolu , pod ciśnieniem 7 kilopaskali i w temperaturze 500 ° C (932 ° F), włóknisty węgiel rośnie na żelazie, ale nie na niklu. Tworzenie materiału na tych metalach zwykle zachodzi w temperaturach od 327 ° C (621 ° F) do 1027 ° C (1881 ° F). Tworzy się również, gdy chrom jest używany jako katalizator do rozkładu acetylenu . Węgiel nitkowaty jest również jednym z maksymalnie siedmiu alotropów węgla, które tworzą się podczas koksu na rurach reaktora i katalizatorach. Alotrop ma zdolność niszczenia struktur nośnych katalizatora, blokując w ten sposób reaktory. Tworzy się również podczas reformowania strumienia, wraz z innymi odmianami węgla.
Synteza
Węgiel nitkowaty można również syntetyzować przez krakowanie metanu . Produkt jest następnie zgazowywany wodorem . W eksperymencie, który to odkrył, niklu została użyta jako cząsteczka metalu we włóknie. Włókno wytrąca się na „stronie nośnej” cząstki niklu.
Węgiel nitkowaty może również tworzyć się, gdy acetylen rozkłada się na warstwach palladu i dwutlenku krzemu . Jednak włóknisty węgiel nie tworzy się na warstwach palladu i dwutlenku krzemu, jeśli zostaną one podgrzane wodorem w temperaturze 597 ° C (1107 ° F). Dzieje się tak, ponieważ w tych warunkach pallad i dwutlenek krzemu reagują, tworząc krzemek palladu. Żelazo i dwutlenek krzemu razem działają również jako katalizator tworzenia struktur. Czasami krzemian żelaza .
Inny eksperyment wykazał, że włóknisty węgiel może tworzyć się, gdy tlenek węgla jest dyspropionowany nad tlenkiem kobaltozu . W eksperymencie podgrzaną nawęglających przepuszczano nad sproszkowanym tlenkiem kobaltozu. Węgiel nitkowaty jest głównym osadem, który tworzy się w wyniku tej reakcji, gdy jest ona przeprowadzana w temperaturze 600 ° C (1112 ° F).
Kiedy chlorobenzen jest hydroodchlorowany nad niklem i krzemionką, tworzą się wysoce uporządkowane struktury włóknistego węgla. Gdy obecne są potas i brom , reakcja ta może zachodzić w temperaturach tak niskich, jak 280 ° C (536 ° F). Dzieje się tak, ponieważ potas i brom pomogły w restrukturyzacji miejsc aktywnych , powodując w ten sposób destrukcyjną chemisorpcję reagenta, a także powodując tworzenie się osadu węgla. Dodanie wodorotlenku potasu do mieszaniny niklu i krzemionki w reakcji spowodowało niewielką zmianę wydajności reakcji. Jednak dodatek bromku potasu znacznie zwiększył wydajność. Inne bromki metali alkalicznych również pozwalają na zajście reakcji i tworzenie włóknistego węgla. Takie bromki metali alkalicznych obejmują bromek cezu .
Węgiel nitkowaty można również zsyntetyzować przez rozkład węglika chromu w temperaturze od 100 do 200 megapaskali i od 350 ° C (662 ° F) do 800 ° C (1470 ° F). Został również utworzony z katalizatorem z fosforanu kobaltu i glinu przy 2 megapaskalach i od 220 ° C (428 ° F) do 240 ° C (464 ° F). Obecność rutenu w tej reakcji zmniejsza wydajność węgla nitkowatego.
Aplikacje
Węgiel nitkowaty był używany do usuwania wycieków ropy . Działa to poprzez wiązanie włókien z ropą naftową . Jest również stosowany w lekkich materiałach kompozytowych, które muszą mieć wytrzymałość w wysokich temperaturach.
Historia
Węgiel nitkowaty jest znany co najmniej od 1890 r., kiedy P. i L. Schützenberger zaobserwowali go podczas przepuszczania cyjanogenu nad rozpaloną do czerwoności porcelaną . W latach pięćdziesiątych XX wieku odkryto, że włókna mogą być wytwarzane w reakcjach gazów, takich jak węglowodory, z metalami, takimi jak żelazo, kobalt i nikiel. Pierwsze mikrografie elektronowe rurowych wersji włókien pojawiły się w 1952 r. W latach 70. i 90. XX wieku węgiel nitkowaty był przedmiotem wielu wysiłków badawczych. Badania te obejmowały badania termodynamicznych powstawania alotropu. Najbardziej znaczące badanie, które miało miejsce w tym czasie, zostało przeprowadzone przez Terry'ego Bakera w latach 70. XX wieku i dotyczyło zapobiegania wzrostowi węgla włóknistego wewnątrz rur chłodzących reaktorów jądrowych .