WWW.DOCX.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет материалы
 

«2124075-300990 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Факультет фундаментальной физико-химической инженерии Курсовая работа ...»

2124075-300990

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Факультет фундаментальной физико-химической инженерии

Курсовая работа

Применение нанопаутин переходных металлов в качестве нанокатализаторов химических реакций.

Выполнил

студент 1 курса магистратуры

Гордиенко Артур Сергеевич

Подпись________________

Научный руководитель

г.н.с., д.ф.-м.н., профессор

Гордон Евгений Борисович

Подпись________________

Москва

2016 г.

Содержание

Введение……………... ………………………………………………….....3

Краткий литературный обзор и введение……………………………..3

Постановка целей и задач………………………………………………4

Экспериментальные методы, методики и образцы для исследований.

Методы получения нанопроволок………………………………….….4

Метод изучения структуры и морфологии……………………...…….6

Результаты и их обсуждение…………………………………………...…9

Потоковая установка химического факультета МГУ для изучения газовых реакций………………………………………………………...9

Потоковая установка для проведения катализа химических реакций с возможностью подведения к поверхности катализатора…...…….11

Заключение.

Основные выводы……………………………………………………..13

Перспективы развития и планы на следующий год…………..…….14

Литература……………………………………………………………………15

1. Введение.

Нанопроволоки (НП) – это проводники электрического тока диаметром менее 100 нм. В 21 веке они представляют особый интерес, потому что все идет к миниатюризации. Наибольшее применение, скорее всего, НП могут найти в электронике и компьютерной технике будущего.



Но в этой работе мы рассмотрим другое применение нанопроволок и наночастиц (НЧ), а именно – применение их в качестве нанокатализаторов химических реакций. Более половины всех веществ, получаемых в химической промышленности, создаются в каталитических процессах. Среди последних в настоящее время наибольший прогресс наблюдается в нанокатализе. НЧ являются чрезвычайно эффективными катализаторами и даже золото, которое является инертным металлом, в виде малых частиц проявляет высокую активность. Природа нанокатализа пока до конца не известна. Существенно, что каталитические свойства проявляются лишь в частицах размером менее 5 нм. Использование в качестве нанокатализаторов НП затрудняется тем, что трудно вырастить НП такого размера. НП, которые выращиваются нами методом коагуляции частиц в сверхтекучем гелии и введением этих частиц в его объем путем лазерной абляции. НП как раз имеют такой диаметр и можно было ожидать, что они будут каталитически активны.

К моменту моего появления в группе этот факт подтвердился в прямых экспериментах с использованием прямой реакции окисления окиси углерода кислородом. Эти эксперименты проводились в стандартном потоковом реакторе, а продукты реакции определялись обычным хромотограическим методом. Важным предполагаемым преимуществом НП перед НЧ является то, что они представляют собой цельную массу и на них можно подать напряжение.

Целью данной работы является проектирование химического реактора для проведения катализа с возможностью его управления посредством электрического поля;

Ставятся следующие задачи для успешного выполнения поставленной цели:

подведение электрического поля к реактору;

предусмотреть сборку и смену активных частей (обычный реактор был спаян из кварцевого стекла)

2. Экспериментальные методы, методики и образцы для исследований.





НЧ и НП переходных металлов обладают каталитическими свойствами и являются катализаторами для различных химических реакций. Например, возьмем окисление СО. Эта реакция является эффективным инструментом изучения зависимости каталитической активности от размера, морфологии, зарядового состояния и других особенностей строения наноструктур металлов [1-3].

Кривизна поверхности наноструктур является важным фактором, определяющим активность нанокатализатора [1-7], поэтому НЧ и НП близкого и малого диаметра должны проявлять сопоставимую и высокую активность.

Методы получения НП довольно обширны. Условно, методы выращивания НП можно разделить на 2 группы:

шаблонные - использующие различные шаблоны с наноканалами, ограничивающими рост НП в двух направлениях;

другие методы синтеза НП.

К шаблонным методам относятся: впрыск под давлением, электрохимическое осаждение, паровое осаждение, ПЖК – метод синтеза НП. Шаблоны содержат очень маленькие цилиндрические поры, они заполняются выбранным материалом, который приобретает форму пор. НП получаются после удаления материала шаблона. Основные различия между, методами, использующими шаблоны, состоит в способе ввода вещества в поры шаблона.

Из-за того, что длины волны видимого света имеет размеры больше, чем нанопроволоки, оптическая микроскопия непригодна для определения поверхности и морфологии нанопроволок. Поэтому доминирующую роль в исследовании нанообъектов играет электронная микроскопия. Рассмотрим как работает просвечивающий электронный микроскоп.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) – это прибор, в котором изображение от ультратонкого объекта (толщиной не более 100 нм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на ПЗС-матрице. ПЭМ – средство визуального изучения НП на атомарных шкалах, он предоставляет детальную информацию о строении НП, в том числе о качестве кристалла, кристаллической структуре, размере зерна и ориентации осей кристалла. Также ПЭМ может дать детальную информацию о поверхности нанопроволоки. Например, об оксидной плёнке, образовавшейся в процессе роста. Оптическая схема электронного микроскопа просвечивающего типа аналогична схеме обычного светового микроскопа. При большой рассеивающей способности некоторого участка исследуемого объекта изображение становится более темным Напряжение, которое используют для ускорения потока электронов, достигает 50 000 – 100 000 В. Длина волны электрона при этих напряжениях составляет от 0,0055 до 0,0039 нм соответственно. Но теоретическое максимальное разрешение, равное половине длины волны (приблизительно 0,002 нм) практически не может быть достигнуто по целому ряду причин. К ним относятся трудности изготовления деталей микроскопа с необходимой точностью, нестабильность тока и высокого напряжения в обмотках линз.

В нашей лаборатории нанопроволки получаются нами методом коагуляции частиц в сверхтекучем гелии и введением этих частиц в его объем путем лазерной абляции. Основная база экспериментальной установки (рис. 1) - это откачной гелиевый оптический криостат OptCry105. Криостат представляет собой систему коаксиальных сосудов, включающих геливую и азотную ванны объемами 2.2 и 2.5 литра соответственно и центральную шахту диаметром 60 мм. В нижней части шахты расположены оптические окна, изготовленные из сапфира (рис. 2).

Внутренние сосуды теплоизолируются от окружающей среды за счет вакуумирования пространства между внутренними сосудами и внешним корпусом. Гелиевая и азотная ванны подвешены на тонкостенных нержавеющих трубках, прикрепленных к верхней части наружного корпуса. С помощью трубок происходит заполнение ёмкостей жидкими азотом и гелием; трубки гелиевой ванны заканчиваются штуцерами с резиновым уплотнением и накидными гайками, а трубки азотной ванны сообщаются с атмосферой. Шахта криостата, в которой располагается экспериментальная ячейка, сообщается с гелиевой ванной через капилляр диаметром 3 мм. Внутри гелиевой ванны установлен датчик измерения уровня жидкого гелия и печка сопротивлением 100 Ом из нихромовой проволоки, намотанной на керамическую трубку. Нагревая печку, мы можем повышать давление в гелиевой ванной, тем самым передавливать жидкий гелий из ванны в шахту криостата, поддерживая в ней необходимый уровень гелия. Откачка паров гелия производится при помощи форвакуумного насоса АВЗ-20Д. Откачка может производиться одновременно из шахты и из гелиевой ванны. Скорость откачки 20 л/с. Мощная откачка позволяет достигать остаточного давления гелиевого пара 6 торр, что соответствует температуре жидкости около 1.55 К. Давление в шахте криостата измеряется с помощью вакуумметра (модель 1227, класс точности 0.25). Показания вакуумметра пересчитывались на соответствующие равновесные значения гелиевых паров с целью определения по ним температуры в диапазоне от 1.5 К до 4.2 К. Корректное измерение температуры по давлению насыщенных паров в шахте криостата, определяемого с помощью образцового вакуумметра могло быть произведено лишь при Т 2.2 К. Это было связано с тем, что из сверхтеплопроводящей жидкости, каким является жидкий гелий в сверхтекучем состоянии, выше - точки он превращался в весьма плохо проводящую тепло жидкость. В результате температура его поверхности, которая и определяет давление насыщенного пара, могла сильно отличаться от температуры того места внутри жидкого гелия, в котором находился образец. Поэтому для измерения температуры выше 2.17 К нами использовались термопара Cu/Cu:Fe и калиброванный резистивный датчик температуры, что позволило вести измерение температуры в диапазоне от 1.5 К до 300 К.

3. Результаты и их обсуждение.

Химический факультет МГУ. Потоковая установка для изучения газовых каталитических реакций.

Установка (рис. 3) состоит из кварцевого химического реактора, печки, и термопары для измерения температуры, хроматографа (рис.4), система подачи и смешения газа. Реактор делают из готовых деталей - трубок и шлифовых соединений. Возникают искривления при спаивании этих трубок. Избежать их практически невозможно, т.к. кварц тугоплавкий; стеклодув работает с горелкой на чистом кислороде вместо воздуха, а реактор, вынутый из огня, очень быстро остывает. Искривления совершенно не мешают проведению реакции. При температурах реакции кварц не плавится. Кварц - это оксид кремния, его температура плавления 1713—1728 К, а реакции проводятся при температурах не выше 900 °C. Наша реакция проводилась при температуре 450 °C.

Рис. 3 Потоковая установка для изучения газовых каталитических реакций.

термопара, 2) химический реактор, 3) печка.

Диаметры печки и реактора обусловлены:

диаметром имеющихся кварцевых трубок и керамических труб, из которых изготавливают печки;

необходимостью поддерживать изотермические условия в слое катализатора, в котором может протекать экзо- или эндотермическая реакция, что вызывает разогрев или охлаждение слоя катализатора

при лабораторных испытаниях используют очень небольшое количество катализатора, а широкая трубка приводит к тому, что большая часть газа будет проходить мимо слоя катализатора.

для расчета кинетики идеален ламинарный поток газа, а широкий диаметр вызывает турбулентность. 

Поток гелия в наших опытах составляет примерно 60 мл/мин, диапазон до 100 мл/мин. На выходе скорость такая же - реактор проточный. 

Рис. 4 Хроматограф.

Фильтр сделан из кварца и впаивается в кварцевую трубку. Вместо фильтра может использоваться сетка из кварца. В этом случае фильтр не впаивают, а вырезают кусочек кварцевого фильтра фирмы Ватман и вкладывают в реактор. Размер пор определяется маркой кварцевого фильтра.

Предложена схема установки для проведения катализа химических реакций с возможностью подведения напряжения к поверхности катализатора (рис. 5).

Рис. 5 Схема установки для проведения катализа химических реакций с возможностью подведения напряжения к поверхности катализатора.

Основными элементами реактора являются:

Корпус. - (6)

Кольцевой электрод с сеткой – анод. - (4)

Кольцевой электрод – катод. - (2)

Пористый держатель – фильтр. - (1,3)

Электрические вводы. - (5)

Вставка – держатель. - (7)

В скобках написаны соответствующие обозначения на схеме.

Корпус (6) делается из керамики, которая, в свою очередь, является отличным диэлектриком и, тем самым, предохраняет контакты электрических вводов от замыкания. Фильтры (1 и 3) сделаны из стекловолокна. Диаметр этих дисков составляет 21 мм. Производство компании STERLITECH.

Напряжение подается следующим образом:

На резьбу винта наматывается ФОМ – тефлоновый уплотнитель, чтобы газ не проходил через щели в резьбе. Закручивается винт в резьбовое соединение и на него подается напряжение, а уже от этого винта оно передается к кольцевым электродам.

4. Заключение.

Выводы:

Исплользуя реакционную смесь, содержащую 1% СО и 2% О2, разбавл гелием, температура как для НЧ и НП составляет 350 °C. Для НП это абсолютно не допустимо ввиду температурной нестабильности, т.к. происходит распад на отдельные нанокластеры, НП малого диаметра распадаются. В действительности можно проводить реакции при температуре близкой к комнате, но с большим количеством кислорода. К сожалению, МГУ на данный момент не может работать в такой ситуации.

Поэтому можно использовать другой вариант - использовать W + Pt, где вольфрам будет выступать в качестве стержня и не будет давать распадаться на НЧ и отдельные кластеры, а Pt на поверхности W будет играть роль катализатора.

Таким образом, рассматривая возможность подать электрическое напряжение мы будем рассматривать 2 типа реактором. Один из них будем рассматривать из plexi-glass, а второй реактор из машинообрабатываемой керамики. Преимуществом plexi-glass являются дешевизна и прозрачность.

Как отмечалось раннее, НП и НЧ имеют сравнимую каталитическую активность, но НП представляют цельную нанопаутину, на которую можно подавать напряжение. При проведении опытов с температурой выше 623 К происходил распад НП на отдельные НЧ. Как результат – невозможность подать напряжение.

Результаты настоящей работы позволяют сформулировать направление дальнейших исследований, направленных на использование нанопаутин в катализе:

Нужно работать с теми НП, которые имеют температурную стабильность при температуре, при которой производится эксперимент. Для этого нужно разработать способы получения НП со структурой сердцевина – оболочка, стабильность которых будет определяться тугоплавкой сердцевиной, а поверхность будет состоять из металла, имеющего высокую каталитическую активность.

Работать в тех условиях, когда не нужно греть. Реакция будет происходить при температурах близких к комнатным. В частности, можно понизить температуру окисления СО на нанопроволоках, увеличивая содержание кислорода в реакционной смеси.

Использование нанопроволок в жидкостных каталитических реакций, где температура окисления заведомо ниже, чем в газовых.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ellert O.G., Tsodikov M.V., Nikolaev S.A., Novotortsev V.M. // Russian Chemical Reviews. 2014. V.83. №8. P.718. [Эллерт О.Г., Цодиков М.В., Николаев С.А., Новоторцев В.М. // Успехи Химии. 2014. Т.83. №8. С.718]Nikolaev S.A., Golubina E.V., Kustov L.M., Tarasov A.L., Tkachenko O.P. // Kinetics and Catalysis. 2014. V.55. №3. P.311. [Николаев С.А., Голубина Е.В., Кустов Л.М., Тарасов А.Л., Ткаченко О.П. // Кинетика и Катализ. 2014. Т.55. №3. С.326]McClure S.M., Goodman D.W. // Chemical Physics Letters. 2009. V.469. №1–3. P.1.

Cuenya B.R. // Thin Solid Films. 2010. V.518. P.3127.

Uzio D., Berhault G. // Catalysis Reviews: Science and Engineering. 2010. V.52. №1. P.106.

Freund H.-J., Meijer G., Scheffler M., Schlgl R., Wolf M. // Angewandte Chemie International Edition. 2011. 50. №43. P.10064.

Royer S., Duprez D. // ChemCatChem. 2011. V.3. P.24.

Gordon E.B., Karabulin A.V., Matushenko V.I., Sizov V.D., Rostovshikova T.N., Nikolaev S.A., Lokteva E.S. // Quasi 1-D metalls as catalysts of oxidation CO [Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, Т.Н. Ростовщикова, С.А. Николаев, Е.С. Локтева, Е.В. // Квази 1-D металлы (Pd, Pt, Nb) как каталиаторы окисления CO]

Gordon E.B., Karabulin A.V., Matushenko V.I., Sizov V.D., Rostovshikova T.N., Nikolaev S.A., Lokteva E.S. Golubina E.V., Maslakov K.I., Krotova I.N., Gurevich S.A., Kojevin V.M., Yasin D.A. // THE CATALYSIS OF CARBON MONOXIDE OXIDATION WITH OXYGEN IN THE PRESENCE OF THE NANOWIRES AND NANOPARTICLES OF PALLADIUM [Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, Т.Н. Ростовщикова, С.А. Николаев, Е.С. Локтева, Е.В. Голубина, К.И. Маслаков, И.Н. Кротова, С.А. Гуревич, В.М. Кожевин, Д.А. Явсин // Катализ окисления монооксида углерода кислородом в присутствии нанопроволок и наночастиц палладия].

Похожие работы:

«ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКАРабочая программа учебного курса химии для 11 класса составлена на основе Примерной программы основного общего образования по химии для   8 – 11 классов; Программы курса химии для 8 – 11 классов общеобразовательных учреждений, автор О.С. Габриелян. Базовый уровень. Федерального к...»

«ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа по химии разработана в соответствии с Федеральным компонентом государственного образовательного стандарта среднего общего образования по химии одобренным совместным решением коллегии Минобразования России и Президиума РАО...»

«Пояснительная записка Рабочая программа по химии для 11 класса составлена в полном соответствии с Федеральным компонентом Государственного стандарта среднего (полного) общего образования, на основании Примерной учебной программы среднего (полног...»

«  Государственное бюджетное образовательное учреждение города Севастополя "Средняя общеобразовательная школа №32 имени Л.В. Бобковой" Согласовано Председатель профсоюзного комитета школы № 32 /Е.Н. Анастасьева/  Утверждаю Директор школы...»

«Для проведения конкурса по компетенции "Лабораторный химический анализ" необходимы следующие материалы и оборудование, которые будут использованы в ходе соревнований: Общее оснащение площадки Оборудование п/п Наименование Кол-во 1 Стол лабораторный, размер не менее...»

«Министерство образования Российской Федерации Ивановский Государственный Химико-Технологический Университет Кафедра философииР Е Ф Е Р А ТНа тему: “Интуитивное и дискурсивное в процессе познания” Выполнил: аспирант Сонин А. В. Проверил: Зеленцова М. Г. Иваново 2002 г. Содержание В...»

«Дата_ Класс_ Тема: Практическая работа №6 "Решение экспериментальных задач по теме "Металлы и их соединения"". Цели урока: проверить ЗУН по пройденной теме "Металлы". Ход работы1. Организационный момент урока.2. Выполнение практической работ...»

«Пояснительная записка Рабочая программа по химии для 11 класса составлена на основе Федерального компонента Государственного стандарта основного общего образования по химии. Программа базового курса химии 11 класса...»

«Окислительно – восстановительные реакции в неорганической химииВосстановители и продукты их окисления: Восстановители Продукты окисления Условия Металлы, м М+, М2+, М3+ кислая и нейтральная средаМеталлы,...»








 
2017 www.docx.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - интернет материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.