RU2178766C2

RU2178766C2 - Method of preparing fullerenes

Info

Publication number: RU2178766C2
Application number: RU2000103375/12A
Authority: RU
Inventors: А.М. Азизов; И.М. Асланов; А.Г. Курицын; А.И. Плугин; М.В. Сильников
Original assignee: Плугин Александр Илларионович
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2002-01-27

Abstract

FIELD: chemical industry, more particularly manufacture of new materials. SUBSTANCE: carbon- containing material, e. g. graphite, is fed into reaction chamber. Sublimation of material is carried out at (3-10)•10³ ^°C in plasma or electric discharge at voltage of 15-25 kv and discharge current of 100-350 A. Sublimated products are withdrawn during graphite-fullerene transition phase. To separate reaction products around reaction zone, several casings with spherical walls made by lemmiscate techniques, casing walls are provided with perforations diameter of which diminishing from first to last one, casing walls have potential with charge sign opposite to charge sign of fullerene particles. Potential value is increased successively from to proportionally to increased weight of fullerene within electric field intensity of 0.005-0.05 A/square dm and magnetic field induction of 0.01-0.1 Tl. This makes it possible to separate fullerenes according to fractions and to carry out process continuously. Power consumption is reduced by more than 30%. Yield of fullerenes is 18-23 wt%. EFFECT: more efficient preparation method. 2 cl

Description

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения фуллеренов за счет термомодификации углеродсодержащих материалов. The invention relates to physicochemical processes for the production of fullerenes due to thermal modification of carbon-containing materials.

В настоящее время известны принципиальные технические решения в этой области, наиболее представительным и наиболее близким из которых является способ получения фуллеренов, включающий возгонку углеродсодержащего материала за счет воздействия на него высокотемпературного поля, отвод продуктов возгонки из зоны реакции и их разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов /1/. At present, fundamental technical solutions in this field are known, the most representative and closest of which is the method of producing fullerenes, including sublimation of a carbon-containing material due to the influence of a high temperature field on it, removal of sublimation products from the reaction zone and their separation by precipitation and accumulation of fullerene particles / 1/.

Существенными и очевидными недостатками этого способа является принципиально несовершенная физико-технологическая модель отвода и разделения частиц фуллеренов, поступающих из зоны реакции, где отвод, накопление, разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов является неуправляемым стахостическим процессом, не позволяющим вести эффективное разделение частиц фуллеренов между собой и отделение фуллеренов от массы шлака, отходящего также из зоны реакции, что вызывает необходимость проведения частых нетехнологических остановок процесса получения фуллеренов, снятия осевших на стенках корпуса реактора пленок фуллеренов вместе со шлаком. Эти существенные недостатки снижают, в конечном счете, производительность процесса и эффективность всех операций способа получения фуллеренов. Significant and obvious disadvantages of this method is the fundamentally imperfect physical and technological model for the removal and separation of fullerene particles coming from the reaction zone, where the removal, accumulation, separation by precipitation and accumulation of fullerene particles is an uncontrolled stochastic process that does not allow effective separation of fullerene particles between themselves and separation of fullerenes from the mass of slag, also leaving the reaction zone, which necessitates frequent non-technological processes Nowok process of producing fullerenes, removing deposited on the walls of the housing fullerene film reactor together with the slag. These significant disadvantages ultimately reduce the productivity of the process and the efficiency of all operations of the method of producing fullerenes.

Технической задачей и результатом данного изобретения является повышение эффективности всех технологических операций способа при непрерывности процесса получения фуллеренов возгонкой углеродсодержащего материала и разделения частиц фуллеренов, отводимых из зоны реакции, по классам фуллеренов в непрерывном процессе способа. The technical task and the result of this invention is to increase the efficiency of all technological operations of the method with the continuity of the process of producing fullerenes by sublimation of carbon-containing material and separation of particles of fullerenes withdrawn from the reaction zone according to the classes of fullerenes in a continuous process.

Указанная техническая задача и получаемый результат в изобретении достигают за счет того, что в способе получения фуллеренов, включающем возгонку углеродсодержащего материала за счет воздействия на него высокотемпературного поля, отвод продуктов возгонки из зоны реакции и их разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов, при этом отвод продуктов возгонки ведут в процессе фазового перехода обрабатываемого углеродсодержащего материала последовательно сквозь перфорации, образованные в сферических стенках нескольких обойм, выполненных вокруг зоны реакции, а разделение ведут за счет наложения на материал обойм электрического потенциала со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов, причем величину потенциала повышают последовательно от обоймы к обойме пропорционально увеличению масс частиц фуллеренов. The specified technical problem and the obtained result in the invention are achieved due to the fact that in the method for producing fullerenes, which involves sublimation of a carbon-containing material due to exposure to a high temperature field, removal of sublimation products from the reaction zone and their separation by precipitation and accumulation of fullerene particles, while the removal of products sublimations lead during the phase transition of the carbon-containing material being processed sequentially through perforations formed in the spherical walls of several km, performed around the reaction zone, and the separation is carried out by applying to the material clips of electric potential with a charge sign opposite to the sign of the charge of fullerene particles, and the potential value is increased sequentially from the clip to the clip in proportion to the increase in the mass of the fullerene particles.

При этом сферические стенки обойм, выполненных вокруг зоны реакции, имеют свою кривизну, очерченную по лемнискатам, а диаметр ячеек в стенках этих обойм выбирают последовательно уменьшающимся от ячеек в первой обойме, находящейся ближе к зоне реакции, до последующих за нею обойм. In this case, the spherical walls of the cages made around the reaction zone have their own curvature, delineated by lemniscates, and the diameter of the cells in the walls of these cages is chosen to be sequentially decreasing from the cells in the first cage, which is closer to the reaction zone, to subsequent cages.

Такое принципиальное осуществление способа получения фуллеренов при строгом выполнении операций в их указанной последовательности, включая возгонку углеродсодержащего материала и отвод частиц фуллеренов из зоны реакции с последующим оригинальным их осаждением и аккумулированием в ячейках сферических обойм, позволяет существенно повысить общую эффективность данного способа и всех его перечисленных технологических операций при организации полной непрерывности процесса получения фуллеренов, что предупреждает нетехнологические остановки и интервалы в едином процессе реализации способа. Such a fundamental implementation of the method for producing fullerenes under strict execution of operations in their indicated sequence, including sublimation of carbon-containing material and removal of fullerene particles from the reaction zone with their subsequent original deposition and accumulation in spherical cage cells, can significantly increase the overall efficiency of this method and all of its technological operations when organizing the complete continuity of the process of obtaining fullerenes, which prevents non-technological operations tans and intervals in a single process implementation of the method.

Способ получения фуллеренов осуществляют следующим образом. Берут углеродсодержащий материал, например графит С₁₄, и подают его в реакционную зону аппарата для получения фуллеренов (конструкция аппарата не приводится, как не имеющая прямого отношения к предмету данного изобретения; при этом предпочтительно выбрать аппарат для пoлучения фуллеренов конструкции А. Плугина). Реакционную зону в реакторе аппарата охватывают несколькими сферическими обоймами с перфорациями в их стенках и ячейками перфораций различного диаметра и различной формы, при этом сферические кривые стенок данных обойм выполняют по лемнискатам, что позволяет наиболее эффективно ориентировать потоки отходящего материала. Таких сферических обойм выбирают несколько, не менее трех, и располагают концентрично одну обойму в другой с учетом электромагнитных и гравитационных сил, воздействующих на обрабатываемый материал в реакционной зоне.A method of producing fullerenes is as follows. A carbon-containing material is taken, for example, C ₁₄ graphite, and it is fed into the reaction zone of the apparatus for producing fullerenes (the apparatus design is not given as not directly related to the subject of this invention; it is preferable to choose the apparatus for producing fullerenes of A. Plugin design). The reaction zone in the reactor of the apparatus is covered by several spherical holders with perforations in their walls and perforation cells of various diameters and various shapes, while the spherical curves of the walls of these holders are performed according to lemniscates, which makes it possible to orient the outgoing material flows most efficiently. Several, at least three, such spherical cages are selected, and one cage is concentrically placed in another, taking into account the electromagnetic and gravitational forces acting on the material being processed in the reaction zone.

В реакционной зоне ведут возгонку углеродсодержащего материала, преимущественно С₁₄, за счет воздействия на него высокотемпературным полем при Т= 3•10³-9•10³ ^oC, которое формируют или от проточной струи плазмы, или за счет электрического разряда при напряжении 15-25 кВ, или разрядного тока 100-350 А; вылетающие из зоны реакции симметрично в виде шара продукты возгонки содержат частицы фуллеренов C₆₀, С₇₀, С₈₄, высшие фуллерены и другие частицы термомодифицированного обработанного материала (С₁₄).In the reaction zone, carbon-containing material is sublimated, mainly C ₁₄ , due to exposure to it with a high-temperature field at T = 3 • 10 ³ -9 • 10 ³ ^o C, which is formed either from a flowing plasma jet or due to an electric discharge at a voltage of 15 -25 kV, or discharge current 100-350 A; the sublimation products leaving the reaction zone symmetrically in the form of a ball contain particles of fullerenes C ₆₀ , C ₇₀ , C ₈₄ , higher fullerenes and other particles of thermally modified treated material (C ₁₄ ).

Для максимальной эффективности процесса ведут разделение этих двух составляющих - фуллеренов и шлака - за счет оригинальной операции, где продукт возгонки отводят из зоны реакции сквозь перфорации, образованные в стенках указанных сферических обойм, при этом в фасонных (по форме сечения и по профилю) ячейках перфораций осаждают и аккумулируют частицы фуллеренов, причем в ячейках перфораций одной обоймы аккумулируют фуллерен С₆₀, а в последовательно отстоящих за нею обоймах аккумулируют в ячейках их перфораций фуллерен С₇₀, фуллерен С₈₄, организуя этим целенаправленное селективное разделение фуллеренов за счет наложения на материал стенок обойм электрического потенциала со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов (последние всегда имеют положительный знак заряда), причем величину электрического потенциала последовательно повышают от обоймы к обойме, выбирая напряженность электрического поля, выраженную и приведенную через плотность тока на единицу площади стенки обоймы, в пределах 0,005-0,05 А/дм² при напряженности по длине обоймы 1,0-5,0 В/м и величине индукции магнитного поля в пределах 0,01-0,1 Тл, при этом диаметр ячеек и перфораций в стенках обойм выбирают последовательно уменьшающимися от первой обоймы у зоны реакции до последующих за нею обойм, отстоящих далее от зоны реакции процесса возгонки углеродсодержащего материала.For maximum process efficiency, these two components are separated - fullerenes and slag - due to the original operation, where the sublimation product is removed from the reaction zone through perforations formed in the walls of these spherical rings, while in perforated (in cross-sectional shape and profile) perforation cells particles of fullerenes are precipitated and accumulated; moreover, fullerene C _{60 is} accumulated in the perforation cells of one cage, and fullerene C ₇₀ , fullerene C _{84 are} accumulated in the cells of their perforations, by organizing targeted selective separation of fullerenes by applying electric potential clips to the wall material with a charge sign opposite to the sign of the charge of fullerene particles (the latter always have a positive charge sign), the electric potential being successively increased from the clip to the clip, choosing the electric field strength expressed and given through the current density per unit area of the wall of the cage, in the range of 0.005-0.05 A / dm ² with a tension along the length of the cage 1.0-5.0 V / m and the value induction of a magnetic field in the range of 0.01-0.1 T, while the diameter of the cells and perforations in the walls of the cages are selected to consistently decrease from the first cage at the reaction zone to the cages following it, further apart from the reaction zone of the sublimation process of the carbon-containing material.

Такая операция позволяет наиболее эффективно отвести фуллерены из зоны реакции и селективно их разделить, осадить и аккумулировать в ячейках перфораций сферических обойм для последующего целенаправленного использования фуллеренов по их классам. Such an operation makes it possible to most effectively remove fullerenes from the reaction zone and selectively separate them, precipitate and accumulate in the cells of the perforations of spherical holders for the subsequent purposeful use of fullerenes according to their classes.

Суммарный выход фуллеренов при этом составляет 18-23% от массы исходного углеродсодержащего материала и наиболее ценным в этом процессе является одновременный с возгонкой процесс осаждения и аккумулирования фуллеренов по их классам и отдельно от шлака, что невозможно достичь в известных способах получения фуллеренов, где отводят все продукты переработки и затем подвергают их многоступенчатой и дорогостоящей процедуре отделения от шлака и разделения между собой по классам, что технологически крайне невыгодно, т. к. фуллерены за это время успевают скоагулировать между собой и с попутными частицами других веществ и существенно снижают свои положительные свойства и эффективность при их использовании. The total yield of fullerenes in this case is 18-23% by weight of the starting carbon-containing material and the most valuable in this process is the simultaneous sublimation process of deposition and accumulation of fullerenes according to their classes and separately from slag, which cannot be achieved in the known methods for producing fullerenes, where all processed products and then subjected them to a multi-stage and expensive procedure of separation from the slag and separation among themselves into classes, which is technologically extremely disadvantageous, since fullerenes during this time manage to coagulate with each other and with associated particles of other substances and significantly reduce their positive properties and effectiveness in their use.

Эффективность разработанного способа характеризуется также существенным сокращением расхода энергии на процесс получения фуллеренов более чем на 30% по сравнению с лучшими аналогами, что в целом характеризует изобретение как прогрессивный и высокоэффективный процесс получения фуллеренов при общем повышении технологической культуры этого процесса за счет ликвидации всех дополнительных и промежуточных, как это имеет место в известных аналогах, операций, что в изобретении достигается за счет изложенного оригинального процесса подачи, возгонки, отвода, осаждения и аккумулирования частиц фуллеренов по их классам, достигая при этом процессе непрерывности всех последовательно выполняемых операций способа. The effectiveness of the developed method is also characterized by a significant reduction in energy consumption for the process of producing fullerenes by more than 30% compared to the best analogues, which generally characterizes the invention as a progressive and highly efficient process for producing fullerenes with a general increase in the technological culture of this process by eliminating all additional and intermediate , as is the case in known analogues, operations, which in the invention is achieved due to the stated original process of filing, sublimation, removal, deposition and accumulation of fullerene particles by their classes, while achieving the process of continuity of all sequentially performed operations of the method.

Claims

1. A method of producing fullerenes, including sublimation of a carbon-containing material due to the exposure to a high-temperature field, removal of sublimation products from the reaction zone and their separation by precipitation and accumulation of fullerene particles, characterized in that the removal of sublimation products is carried out sequentially through the phase transition of the carbon-containing material processed through perforations formed in the spherical walls of several cages made around the reaction zone, and the separation is carried out by applying to the mother the volume of the electric potential with the charge sign opposite to the sign of the charge of fullerene particles, and the potential value is increased sequentially from the clip to the clip in proportion to the increase in the masses of the fullerene particles.

2. The method according to p. 1, characterized in that the spherical curves of these cages are performed according to lemniscates, and the diameter of the perforations in the walls of the cages is selected to decrease sequentially from perforations in the first cage, which is closer to the reaction zone, to subsequent ones.