×
03.08.2018
218.016.7833

Способ получения углеродных материалов с высоким содержанием азота

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение может быть использовано при изготовлении суперконденсаторов, сенсорных материалов, адсорбентов, носителей для катализаторов. Готовят смесь, содержащую 50-100 масс. % средне- или высокотемпературного каменноугольного пека, или нефтяного пека, или сланцевого пека и 0-50 масс. % меламина. Полученную смесь нагревают до 500°C со скоростью 0,96-3°C/ч. Затем производят прокаливание при этой температуре в течение 100 ч. Полученный углеродный материал характеризуется высоким содержанием азота – до 32 масс. %, за счет чего его удельное электрическое сопротивление снижается в 100-1000 раз. 1 табл., 6 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к химическому производству, в частности к получению углеродных материалов, которые широко используются в качестве сенсорных материалов, а также в электрохимических устройствах, таких как конденсаторы двойного электрического слоя, называемые суперконденсаторами, в электронике, в качестве адсорбентов, носителей для катализаторов. Для использования в качестве материалов для сенсоров и электрохимических устройств на первое место выступает достижение высокого содержания азота при одновременно высокой электропроводности (Z.R. Ismagilov, A.E. Shalagina, O. Yu. Podyacheva, A.V. Ischenko, L.S. Kibis, A.I. Boronin, Y.A. Chesalov, D.I. Kochubey, A.I. Romanenko, O.B. Anikeeva, T.I. Buryakov, E.N. Tkachev. Structure and electrical conductivity of nitrogen-doped carbon nanofibers. Carbon. 2009. V. 47. P. 1922-1929).

Настоящее изобретение относится к способу введения атомов азота в структуру углеродного материала, то есть к способу легирования азотом углеродного материала.

Известен способ получения нитрида углерода C3N4 (Two-dimensional carbon nitride material and method of preparation. WO 2016027042 A1. Дата приоритета 21.08.2014), включающий разложение меламина в расплаве смеси солей LiBr и KBr при 500-700°С. В известном решении получают стехиометрический нитрид углерода, который обладает низкой электропроводностью.

Известен способ получения активированных углеродных волокон на основе полиакрилонитрила (M. Suzuki. Activated carbon fiber: fundamentals and applications. Carbon. 1994. V. 32. P. 577-586), которые содержат 2-6 мас. % азота. В известном решении получают углеродный материал, который обладает низким содержанием азота.

Известен способ получения активированного угля с содержанием азота до 10 масс. % (Ильинич Г.Н.; Лихолобов В.А. Пористый азотсодержащий углеродный материал и способ его приготовления. Дата приоритета 18.02.1999), включающий разложение летучих молекул, содержащих углерод и азот, при температурах не ниже 550°С в присутствии никельсодержащих металлических катализаторов. В известном решении получают углеродный материал, который обладает низким содержанием азота, а также примесью соединений никеля.

Известен способ получения углеродных материалов, которые содержат до 13 мас. % азота (Synthesis of Mesoporous Carbons with Controllable N-Content and Their Supercapacitor Properties. Kim, Jeong-Nam ; Choi, Min-Kee ; Ryoo, Ryong ; Bulletin of the Korean Chemical Society, volume 29, issue 2, 2008, Pages 413~416), включающий разложение смеси фурфурилового спирта и меламина при температуре 900°С в порах алюмосиликатного мезопористого носителя. В известном решении получают углеродный материал, который обладает низким содержанием азота, а также требует применения токсичной плавиковой кислоты в процессе получения.

В качестве ближайшего аналога-прототипа выбрано техническое решение - способ легирования азотом углеродного материала по патенту (E.G. Lundquist, G.R. Parker Jr. Carbons useful in energy storage devices. EP 1655267 A2. Дата приоритета 4.11.2004), включающий взаимодействие смеси каменноугольного пека и меламина с последующим его прокаливанием при 800°С и активацией в атмосфере углекислого газа при 1000°С.

Недостатком данного решения является прокаливание при 800°С и активация в атмосфере углекислого газа при 1000°С. Использование избыточно высоких температур 800-1000°С приводит к резкому снижению содержания азота в конечном материале до 1-2 масс. %.

Задачей настоящего изобретения является получение углеродного материала, содержащего до 32 масс. % азота, с одновременным увеличением электропроводности.

Технический результат от использования данного изобретения выражается в следующем:

- расширение диапазона концентрации азота в материале и соответствующее увеличение его емкостных характеристик;

- снижение энергопотерь в электрохимических устройствах за счет высокой электропроводности материала.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения углеродных материалов с высоким содержанием азота, включающем взаимодействие смеси каменноугольного пека и меламина в течение их нагрева и выдержки, в соответствии с настоящим изобретением максимальную температуру ограничивают 500°С.

Средне- или высокотемпературный каменноугольный пек, сланцевый или нефтяной пек в количестве 50-100 масс. % смешивают с меламином в количестве 0-50 масс. %, после этого нагревают от 20°С до 500°С со скоростью 1-3 °С/час, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают.

Пример 1. Среднетемпературный каменноугольный пек в количестве 5 г смешивают с меламином в количестве 5 г, после этого в стеклянной склянке смесь нагревают от 20°С до 500°С в течение 500 ч, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают. Получают углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота, с удельным электрическим сопротивлением 1,4 Ом⋅м.

Пример 2. Нефтяной пек в количестве 5 г смешивают с меламином в количестве 5 г, после этого в стеклянной склянке смесь нагревают от 20°С до 500°С в течение 500 ч, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают. Получают углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота, с удельным электрическим сопротивлением 1,3 Ом⋅м.

Пример 3. Высокотемпературный каменноугольный пек в количестве 5 г смешивают с меламином в количестве 5 г, после этого в стеклянной склянке смесь нагревают от 20°С до 500°С в течение 500 ч, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают. Получают углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота, с удельным электрическим сопротивлением 2,9 Ом⋅м.

Пример 4. Сланцевый пек в количестве 5 г смешивают с меламином в количестве 5 г, после этого в стеклянной склянке смесь нагревают от 20°С до 500°С в течение 500 ч, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают. Получают углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота, с удельным электрическим сопротивлением 67 Ом⋅м.

Пример 5. Среднетемпературный каменноугольный пек в количестве 9 г смешивают с меламином в количестве 1 г, после этого в стеклянной склянке смесь нагревают от 20°С до 500°С в течение 500 ч, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают. Получают углеродный материал, содержащий 6,5 масс. % азота, с удельным электрическим сопротивлением 217 Ом⋅м.

Пример 6. Среднетемпературный каменноугольный пек в количестве 10 г в стеклянной склянке нагревают от 20°С до 500°С в течение 500 ч, далее выдерживают при 500°С в течение 100 ч и охлаждают. Получают углеродный материал, содержащий 1 масс. % азота, с удельным электрическим сопротивлением 522 Ом⋅м.

Дополнительные примеры приведены в Таблице 1.

При температурах выше 500°С начинается разложение материала, сопровождающееся потерей значительной части азота. При температурах ниже 500°С или при времени выдержки менее 100 часов не успевает сформироваться графитовая структура и удалиться основная часть водорода. При выдержке дольше 100 часов нерационально перерасходуется время и энергия на нагрев материала. При скорости нагрева выше 3 оС/час снижается выход материала и его однородность. При скорости нагрева ниже 0,96 оС/час нерационально перерасходуется время и энергия на нагрев материала.

В предлагаемом способе нагрев смеси осуществляют до 500°С, что позволяет снизить потери азота из углеродного материала. При этом экспериментальным путем установлено, что уменьшение количества пека в смеси с меламином ниже 50% приводит к образованию в материале второй фазы - нитрида углерода (таблица 1). В качестве пека могут быть применены: среднетемпературный каменноугольный пек, высокотемпературный каменноугольный пек, сланцевый пек, нефтяной пек.

Таблица 1.

Содержание среднетемпературного пека, в исходной смеси масс. % Содержание меламина в исходной смеси, масс. % Фазовый состав полученного материала Удельное электросопротивление полученного материала, Ом⋅м
0 100 C3N4 100000000000
10 90 C3N4 + углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота 230000
20 80 C3N4 + углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота 290
30 70 C3N4 + углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота 62
40 60 C3N4 + углеродный
материал, содержащий 32 масс. % азота
25
50 50 Углеродный материал, содержащий 32 масс. % азота 1,4
60 40 Углеродный материал, содержащий 25 масс. % азота 20
70 30 Углеродный материал, содержащий 19 масс. % азота 43
80 20 Углеродный материал, содержащий 13 масс. % азота 60
90 10 Углеродный материал, содержащий 6 масс. % азота 220
100 0 Углеродный материал, содержащий 1 масс. % азота 520

Для определения фазового состава полученного углеродного материала использовали порошковый рентгеновский дифрактометр. Обнаружено (Таблица 1), что во всех четырех сериях с разными сортами пека в диапазоне содержания пека от 0 до 40 масс. % образцы состоят из двух фаз: чистого C3N4 и углеродного материала со структурой графита, содержащего 32 масс. % азота. Начиная с содержания пека 50-100 масс. %, все образцы являются однофазными углеродными материалами со структурой графита и содержанием азота от 1 до 32 масс. %.

Максимальная концентрация азота в полученном углеродном материале по данным рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного спектрального анализа равна 32 масс. % N. Для углеродного материала, полученного из чистого пека, удельное электрическое сопротивление составило 520 Ом⋅м (Таблица 1). Введение 32 масс. % азота позволило снизить сопротивление до 1,4 Ом⋅м.

Способ получения углеродных материалов с высоким содержанием азота, характеризующийся нагревом смеси пека и меламина с последующим ее прокаливанием, отличающийся тем, что в качестве пека используют средне- или высокотемпературный каменноугольный пек, или нефтяной пек, или сланцевый пек, соотношение пека в смеси устанавливают в количестве 50-100 масс. %, меламина - в количестве 0-50 масс. %, нагрев смеси осуществляют до температуры 500°C со скоростью 0,96-3°C/ч, а прокаливание производят в течение 100 ч при температуре 500°C.
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 56 items.
13.01.2017
№217.015.8a45

Способ получения углеродного сорбента активного по отношению к фенолу

Изобретение относится к получению углеродных сорбентов. Способ получения углеродного сорбента включает измельчение угля до фракции 5-10 мм, обработку 20% раствором негашеной извести в уксусной кислоте, термообработку при температуре 380-420°C с выдержкой в течение 15-20 минут и охлаждение....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604216
Дата охранного документа: 10.12.2016
25.08.2017
№217.015.a375

Кинематическая схема гибридной силовой установки с отключаемой обратимой электрической машиной и устройство для еe реализации

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Кинематическая схема гибридной силовой установки, содержащая двигатель внутреннего сгорания, муфту сцепления, обратимую электрическую машину, коробку переключения передач, главную передачу и блок промежуточной шестерни, при этом вал...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607150
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.b8f8

Способ получения активного фракционированного угля в камере на решетке

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топливосжигающих установках, в частности в котлах тепловых электростанций и промышленных котельных, а также в обжиговых печах при совмещении выработки пара, производства стройматериалов, металлоизделий и активирования угля. Способ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615241
Дата охранного документа: 04.04.2017
25.08.2017
№217.015.ce9e

Способ комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в вертикальных четырехгранных призматических топках котлов электростанций, промышленных котельных и теплоэлектроцентралей при сжигании одновременно или отдельно угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси. Способ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002620614
Дата охранного документа: 29.05.2017
26.08.2017
№217.015.e562

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наивысшими технико-экономическими и экологическими критериальными параметрами и электронным управлением аккумуляторной системой впрыска топлива широкого фракционного состава

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит корпус с цилиндром - 1, по всему диаметру которого выполнены тангенциальные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002626611
Дата охранного документа: 31.07.2017
26.08.2017
№217.015.e6cc

Прямоточная камера сгорания газотурбинного двигателя

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус, топливовоздушный канал с топливной форсункой и свечой. Камера сгорания выполнена прямоточной. Топливовоздушный канал расположен аксиально к корпусу и соединен с ним. В корпусе на обтекателе расположен регистр с углом закрутки лопаток...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002626892
Дата охранного документа: 02.08.2017
26.08.2017
№217.015.ebf1

Способ получения трубной заготовки методом непрерывного литья с вытягиванием заготовки вверх из кристаллизатора

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при непрерывном литье полой трубной заготовки. Способ включает заливку металлического расплава в полость кристаллизатора через центровую литниковой системы, подачу в центровую тугоплавких модифицирующих частиц и вытягивание...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002628225
Дата охранного документа: 17.08.2017
19.01.2018
№218.016.0271

Способ получения керамических форм методом электрофореза для литья по выплавляемым моделям химически активных сплавов

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья отливок из тугоплавких химически активных сплавов, в частности жаропрочных никелевых и титановых сплавов, сложнолегированных сталей в условиях вакуума. Способ включает формирование на токопроводной модели из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630081
Дата охранного документа: 05.09.2017
20.01.2018
№218.016.1195

Способ модифицирования чугуна

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к литейному производству, и может быть использовано при производстве высокопрочных чугунов и отливок из них ответственного назначения. Способ модифицирования чугуна включает введение в состав футеровки разливочного ковша оксида магния и его...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634103
Дата охранного документа: 23.10.2017
20.01.2018
№218.016.1bb0

Способ управления подачей топлива и устройство подачи топлива

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложено устройство подачи топлива, содержащее топливный насос высокого давления 18, гидроаккумулятор высокого давления 19 с клапаном регулирования высокого давления 20, электронный блок...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002636639
Дата охранного документа: 24.11.2017
Showing 1-5 of 5 items.
10.08.2015
№216.013.6983

Способ снижения трещиноватости поверхности изделий из кварцевого стекла

Изобретение относится к способу снижения трещиноватости поверхности изделий из стекла. Технический результат изобретения заключается в устранении наноразмерных трещин. Кварцевое стекло отжигают при температуре 1100÷1120°C в течение 4÷5 часов со скоростью нагрева и охлаждения 600÷700°C/час.
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002558564
Дата охранного документа: 10.08.2015
20.06.2016
№217.015.036c

Способ упрочнения изделий из стекла

Изобретение относится к упрочнению изделий из стекла. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности изделий из стекла. Перед отжигом изделий стекло истирают в порошок, делят на несколько порций и ведут рентгенофазовый анализ каждой порции, нагревая порции до различных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587191
Дата охранного документа: 20.06.2016
13.01.2017
№217.015.7d4b

Способ получения диоксида титана

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения диоксида титана включает взаимодействие при перемешивании тетрабутоксититана с органической жидкостью, а затем с осаждающим компонентом с последующими нагревом и выдержкой. В качестве органической жидкости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002600767
Дата охранного документа: 27.10.2016
26.08.2017
№217.015.e7ea

Способ получения порошка карбида титана

Изобретение относится к получению порошка карбида титана. Металлический титан помещают в печь, разогревают печь до 700÷850°C и подают на поверхность металлического титана углеводородный компонент в газообразном виде совместно с аргоном в течение 90÷180 минут. Обеспечивается получение порошка...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627142
Дата охранного документа: 03.08.2017
10.05.2018
№218.016.4ec2

Способ гидролиза изопропоксида алюминия

Изобретение может быть использовано в химической промышленности при получении высокочистого оксида алюминия, предназначенного для выращивания монокристаллов сапфира, изготовления стоматологических цементов и керамики, катализаторов, лекарственных и косметических средств. Способ гидролиза...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002650944
Дата охранного документа: 18.04.2018
+ добавить свой РИД