получение водорода с помощью графитоподобных углерод

XIХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 1: Электроэнергетика
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА С ПОМОЩЬЮ ГРАФИТОПОДОБНЫХ
УГЛЕРОД-АЗОТНЫХ СТРУКТУР
Шатрова К.Н.
Научный руководитель: Сивков А.А., профессор
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
E-mail: shatrova.xiusha@yandex.ru
В настоящее время сверхтвердые инструментальные материалы из природных и синтетических алмазов и кубического нитрида бора занимают важнейшее место в технике и производстве.
Особенностями этих материалов являются: наивысшая твердость; возможность изготовления
сверхострых лезвийных и самозатачивающихся
высокоабразивных инструментов; высокие износостойкость, теплопроводность, коррозионная
устойчивость. В ближайшие годы конкуренцию
этим материалам может составить кристаллический C3N4. Возможность его существования теоретически показал M. L. Cohen более 20 лет назад
[1] в виде расчетной модели, по которой возможно
определение модуля всестороннего сжатия материала в зависимости от длины связей. Многие годы исследователи всего мира предпринимали
множество попыток получения этого материала с
целью использования его как сырья для обрабатывающего инструмента нового поколения, но, к
сожалению, бесспорных свидетельств успешно
синтеза сверхтвердого нитрида углерода C3N4 отсутствуют [2]. Новый этап развития данного направления в науке возникает в последние годы
ввиду появления сообщений о возможности использования соединений углерода и азота в качестве фотокатализаторов в спектре видимого и
ультрафиолетового излучения при получении водорода Н2 из воды [3, 4, 5]. К настоящему времени
не определены оптимальные условия синтеза и не
найдены методы, которые могли бы лечь в основу
промышленной технологии получения кристаллического C3N4. Поэтому поиск методов синтеза
ковалентного C3N4 является актуальной задачей.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных данных показывает, что одним из перспективных путей получения кристаллических фаз
дисперсного C3N4 является реализация синтеза в
газофазовой системе с использованием в качестве
прекурсоров углерода и газообразного азота. Требуемые P, t-параметры (P>25 ГПа, t>1500 К) могут
быть получены в головном скачке уплотнения
ударно-волновой структуры гиперзвуковой импульсной струи углеродной плазмы, истекающей в
замкнутое пространство с азотной атмосферой со
скоростью до 10 км/с.
В эксперименте такая система взаимодействия
реализуется с помощью импульсного (до 500 мкс)
сильноточного (порядка 105 А) коаксиального
магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) с графитовыми электродами по методике, представленной
в работе [6]. Исходный углерод в виде нанодисперсного порошка (сажа) закладывается в зону
формирования плазменной структуры сильноточного дугового разряда типа Z-пинч, ускоряемого в
коаксиальной системе. Электропитание ускорителя осуществляется от импульсного источника –
генератора импульсов тока с максимальной запасаемой энергией до 360 кДж. Плазменный выстрел производится в герметичную камеруреактор, заполненную технически чистым азотом
при нормальных давлении и температуре. Вскрытие камеры и сбор синтезированного порошкообразного продукта производился после естественного охлаждения и полного осаждения взвешенных частиц в азотной атмосфере.
На рисунке 1 представлены результаты электронной просвечивающей микроскопии продукта
синтеза. Согласно работе [6] округлые уплощенные частицы со средним размером до 200-300 нм
могут содержать в своем составе кристаллическую
фазу, близкую по строению к гипотетическому
графитоподобному нитриду углерода C3N4.
Рис. 1. Светлопольный TEM-снимок продукта
Согласно источникам [3, 4, 5] при помощи
графитоподобных углерод-азотных материалов
возможно осуществление разложения воды на
водород и кислород под действием видимого и
ультрафиолетового диапазонов излучения. Для
проверки этого утверждения собрана простейшая
экспериментальная установка, внешний вид которой приведен на рисунке 2.
Экспериментальная установка состоит из
кварцевой колбы (пропускающей ультрафиолетовый диапазон излучения), в которую помещался
исследуемый образец вместе с дистиллированной
водой, кристаллизатора, заполненного 10% раствором NaCl (для снижения растворимости водо109
XIХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 1: Электроэнергетика
рода в воде), S-образной изогнутой стеклянной
трубки, которая одним концом герметично закреплялась в кварцевой колбе, другим - помещалась
под границей раздела воздух-раствор NaCl. Над
свободным концом S-образной трубки помещалась заполненная раствором мерная пробирка
вверх дном. На расстоянии 25-30 см от кварцевой
колбы помещалась ультрафиолетовая лампа.
На рисунке 3 представлены результаты газовой
хроматографии собранного образца, согласно которой в данной пробе обнаружены кислород, азот
и водород. Эти данные имеют несколько неоднозначный характер ввиду небольшого количества
исследуемого газа: 10 мл, однако позволяют с высокой степенью вероятности судить о возможности получения водорода из воды с помощью материала, синтезированного авторами работы [6]. В
дальнейшем требуется изучение процесса с позиции повышения скорости выделения газа, получения большего количества газообразной пробы для
анализа и, соответственно, более надежной идентификации его составляющих, количественной
интерпретации результатов.
По совокупности представленных данных
можно с высокой степенью вероятности судить об
успешном получении водорода из воды с использованием синтезированного в струе углеродной
электроразрядной плазмы углерод-азотного материала под действием ультрафиолетового излучения. Однако, для установления однозначности в
этом вопросе требуются дополнительные исследования синтезируемого газа для набора статистических данных и проверки повторяемости эксперимента, исследования методов управления скоростью процесса и потенциальной производительность системы.
Рис. 2. Внешний вид экспериментальной
установки для синтеза водорода
В кварцевую колбу была помещена дистиллированная вода объемом 5 мл, а также продукт динамического синтеза системы углерод-азот, полученный в гиперскоростной струе углеродной электроразрядной плазмы, истекающей в азотную атмосферу по методике, описываемой в работе [6].
Масса исследуемого материала составила 90 мг.
После герметизации системы включалась ультрафиолетовая лампа.
За 9 часов работы ультрафиолетовой лампы в
течение двух дней получено 10 мл газообразного
образца, собранного в два медицинских шприца
по 5 мл. Непосредственно после сбора проба
транспортировалась к аналитическому оборудованию – в данном случае к газовому хроматографу
Хроматек Кристалл 5000.1.
Список литературы
1. M. L. Cohen. Phys. Rev. B, Condens. Matter,
32, 7988, 1985.
2. Graziella Goglio, Denis Foy, Gerard Demazeau.
State of Art and recent trends in bulk carbon nitrides
synthesis // Materials Science and Engineering R. –
2008. – №58. – P.195-227.
3. C. Pan, J. Xu, Y. Wang, D. Li, Y. F. Zhu. Dramatic activity of C3N4/BiPO4 photocatalyst with
core/shell structure formed by self-assembly // advanced functional materials, 2012.
4. F. Su, S. C. Mathew, L. Mhlmann, M.
Antonietti, X. Wang, S. Blechert. Aerobic oxidative
coupling of amines by carbone nitride photocatalysis
with visible light// Angew. Chem.. Int. Ed., 2011.
5. X. Xu, G. Liu, C. Randorn, J. T. S. Irvineю gC3N4 coated SrTiO3 as an efficient photocatalyst for
H2 production in aqueous solution under visible light
irradiation// International journal of hydrogen energy
36, 2011.
6. А. А. Сивков, А. Я. Пак. О возможности
синтеза и кристаллической структуре нанодисперсного нитрида углерода
С3N4//Письма в
ЖТФ, том 37, вып. 14, 2011.
Автор и ее научный руководитель выражают
благодарность д.ф.-м.н. Ильину Александру Петровичу и к.т.н. Балмашнову Михаилу Александровичу за предоставленную возможность проведения эксперимента, помощь в его постановке и
обсуждении результатов.
Рис. 3. Результаты хроматографии газообразного
образца
110