Катализатор — это вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции.
Каталитические процессы играют важнейшую роль в получении УНМ. Сами УНМ могут быть получены и без участия катализаторов, однако в таком случае процесс будет менее эффективным.процесс пиролиза УНМ ярким представителем каталитического процесса.
По способу организации процессы пиролиза можно разделить на две группы: с катализатором на носителе и с летучим катализатором.
В первом случае активный компонент катализатора вводят в реакционную зону на подложке или носителе в твердом виде, (преимущества такого процесса: 1) значительно более кол-во УНМ, получаемых на единицу массы 2) высокая удельная производительность по катализатору) во втором – в виде паров или растворов, распыленных в тонкие капли. В качестве паров используют карбонилы, фталоцианины, металлоцены и другие соединения металлов, в качестве растворов – например, карбонилы металлов в толуоле. "Растворный" вариант реализуют в инжекторных реакторах.
Диагностика катализаторов сводится к определению его основанных эксплуатационных характеристик. Непосредственно диагностика сводится к тому, что сооружается лабораторная установка и опытным путем определяются параметры, как удельный выход, средний размер частиц катализатора, насыпная плотность и удельная поверхность (обычно чем больше удельная поверхность катализатора, тем он активнее в процессе, однако активной является не вся поверхность катализатора, а лишь некоторые ее участки (дефекты кристаллической структуры) или так называемые активные центры, на которых происходит зарождение и рост нанотрубки. Известно, что диаметр нанотрубок зависит от размера активных центров катализатора, которые в свою очередь зависят от размера его частиц).
Круг используемых для получения УНМ пиролизом углеводородов катализаторов достаточно обширен. В основном используются металлы 3d-группы – железо, никель, кобальт и их бинарные (образованные двумя химическими элементами) смеси и сплавы с другими металлами: Co /Fe, Fe /Mo, Co /Mo, Fe/Cu. Использование бинарных составов может привести к повышению эффективности процесса роста УНМ.
СХЕМА (Подавляющая часть научной и патентной литературы по синтезу углеродных УНМ посвящена периодическим процессам. Их реализуют, как правило, в трубчатых реакторах. Нагретую до температуры пиролиза (550…1000 °С) реакционную зону продувают инертным газом (Ar, He), затем подают углеродсодержащий газ. Движущийся вдоль катализатора газ диффундирует сквозь его слой и сорбируется на поверхности активных центров (металл), где протекает ряд последовательных химических реакций, конечными продуктами которых являются углерод и водород.)
Водные растворы солей (NiNO3, MgNO3, глицин) соответствующих концентраций, размещенные в емкостях 1, смешиваются в лопастной мешалке 2 и далее подаются на УЗ обработку в электромагнитном аппарате вихревого слоя (АВС) 7, где в отсутствии ферромагнитных частиц проходят активирование в течение 30 с. Далее компоненты катализатора в жидкой фазе подвергаются термической обработке в печи (СНОЛ162,5/9-М2,N = 3 кВт) 6, где происходит их последовательное обезвоживание и сжигание при температуре 500…550 °С. Время операции 30 мин. Диспергирование катализаторной массы производят в АВС в присутствии ферромагнитных (Ni) частиц в течение 2,5…3 мин, после чего подвергают ситовой классификации. Полидисперсный порошок катализатора с размером фракции больше 0,063 мм подают в бункер дозатора 10, а мелкую фракцию гранулируют в роторном высокоскоростном аппарате 9 до получения гранул, превышающих минимально допустимое значение, далее транспортируют в бункер дозатора 10.
Подготовка газовых компонентов синтеза (пропан-бутановаясмесь, Ar, Н2) включает установление заданного расхода 12, очистку в системе фильтров 12 и, при необходимости, смешение в емкости 13.
Приготовленные указанным выше образом исходные реагенты синтеза УНМ подаются в реактор 11, где происходит образование целевого продукта – МУНТ заданной структуры.
На следующем этапе производится очистка продукта от металла (Ni) катализатора в водоподогреваемом аппарате с лопастной мешалкой 17 с помощью 30 %-ногораствора HNO3 в течение 120 мин. Одновременная загрузка – 600 г УНМ. Затем осуществляется ультразвуковая обработка суспензии в УЗ аппарате проточного типа и отмывка дистиллятом(ЭД-90)в нейтрализаторе 18 до рН = 7 в течение 5 мин (8 циклов).
Пастообразный полупродукт поступает далее на сушку в термошкаф 19, диспергируется в АВС, разделяется по фракциям путем газовой или ситовой классификации 21 и упаковывается.
