Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СИНТЕЗА ЭНДОЭДРАЛЬНЫХ ФУЛЛЕРЕНОВ

Изобретение относится к области плазменного синтеза наноматериалов и может быть использовано для производства эндоэдральных фуллеренов.

Известен способ синтеза фуллереновой смеси в плазме при атмосферном давлении в потоке гелия [RU 2483020, МПК С01В 31/00, В82В 3/00, B82Y 40/00, опубл. 27.05.2013 г. ], где фуллереновую смесь получают в углеродно-гелиевой плазме, образованной дуговым разрядом при атмосферном давлении в камере плазмохимического реактора с использованием низкочастотной модуляции мощности дугового разряда.

Недостатком способа является то, что, несмотря на высокое относительное содержание высших, а соответственно, и эндоэдральных фуллеренов в образующей фуллереновой смеси, общее количество фуллеренов, содержащихся в углеродном конденсате, низко. Это объясняется тем, что условия в плазме дуги (температура и электронная концентрация) лишь в малом объеме соответствуют оптимальным значениям сборки фуллереновых и эндофуллереновых молекул.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ синтеза эндоэдральных фуллеренов, где в реакционной камере при атмосферном давлении осуществляется разряд переменного тока с питанием от 15 до 50 кВт и токами до 1000 A [WO 2014152062, МПК С01В 31/02, С25В 1/00, опубл. 25.09.2014 г. (прототип)]. Графитовые стержни распыляются в дуге (трехфазный переменный ток). Дуга стабилизирована за счет расположения трех электродов под углом 22,5° от вертикали.

Недостатком данного способа является то, что количество эндоэдральных фуллеренов, образующихся в углеродном конденсате, составляет малую величину. Это объясняется тем, что в такой геометрии область плазмы с высокой температурой плавно (недостаточно быстро) переходит в область плазмы с низкой температурой. Высшие фуллерены и тем более эндоэдральные фуллерены, являясь более напряженными структурами, успевают перейти в менее напряженные обычные, типа С₆₀ и С₇₀.

Техническим результатом изобретения является повышение содержание эндоэдральных фуллеренов в углеродном конденсате на 3,5-4% за счет создания магнитного поля, синфазного и перпендикулярного току дуги.

Технический результат достигается тем, что в способе синтеза эндоэдральных фуллеренов в герметичной камере в плазме дуги с использованием переменного тока и нескольких одинаковых электродов новым является то, что процесс ведут в высокочастотной дуге при атмосферном давлении, используют водоохлаждаемую металлическую камеру, в которой установлен один вертикальный электрод и четное число одинаковых электродов, расположенных горизонтально, обеспечивающих разряд, при этом все электроды изготовлены из графита и в их осевые отверстия помещают вещества, содержащие химические элементы, вводимые внутрь молекулы фуллерена, а последовательно с электродами, обеспечивающими разряд, соединяют катушки индуктивности, оси которых расположены так, что направление создаваемого ими магнитного поля перпендикулярно оси разряда.

Отличия заявляемого способа синтеза эндоэдральных фуллеренов от прототипа заключаются в том, что процесс ведут в высокочастотной дуге при атмосферном давлении, используют водоохлаждаемую металлическую камеру, в которой установлен один вертикальный электрод и четное число одинаковых электродов, расположенных горизонтально, обеспечивающих разряд, при этом все электроды изготовлены из графита и в их осевые отверстия помещают вещества, содержащие химические элементы, вводимые внутрь молекулы фуллерена, а последовательно с электродами, обеспечивающими разряд, соединяют катушки индуктивности, оси которых расположены так, что направление создаваемого ими магнитного поля перпендикулярно оси разряда.

Перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Синтез эндоэдральных фуллеренов происходит в водоохлаждаемой герметичной металлической камере при атмосферном давлении в плазме высокочастотной дуги переменного тока. Разряд осуществляется в аналитическом промежутке между графитовыми электродами, расположенными горизонтально либо под углом. В осевое отверстие электродов помещают вещество, содержащее атомы химических элементов, которые планируется ввести внутрь фуллереновых молекул. Слой плазмы дуги, соответствующий оптимальным значениям температуры и электронной концентрации и соответствующий максимальным скоростям сборки молекул эндоэдральных фуллеренов, увеличивается за счет силового воздействия магнитного поля на ток дуги. Именно с целью достижения такого эффекта магнитное поле направлено перпендикулярно оси разряда и совпадает по частоте и фазе с током дуги. Под действием магнитного поля плазма вытягивается вдоль вертикальной оси и образует фигуру, которая обладает большим объемом и соответственно большей площадью поверхности при той же мощности разряда. Увеличение поверхности приводит к увеличению области с оптимальными параметрами плазмы (температура и электронная концентрация), соответствующими более эффективному образованию фуллеренов и эндоэдральных фуллеренов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена электрическая схема установки. На фиг. 2 показан разрез водоохлаждаемой герметичной металлической камеры.

На фиг. 1 представлена электрическая схема установки, где 1 - водоохлаждаемая герметичная металлическая камера, 2, 2′, 3, 3′ - графитовые электроды, 4 - центральный графитовый электрод, 5 - генератор исходной частоты ТВЧ, 6 - фазовращатель, 7 и 7′ - усилители мощности, Тр.1 и Тр.1′ - согласующие трансформаторы, 8 и 8′ - конденсаторы, 9, 9′, 10, 10′ - катушки индуктивности.

На фиг. 2 представлен разрез камеры для синтеза эндоэдральных фуллеренов, где 1 - водоохлаждаемая герметичная металлическая камера, 2 - графитовые электроды, 4 - центральный графитовый электрод, 11 - отверстие для ввода газа в камеру, 12 - разряд, 13 - отверстие для вывода газа из камеры.

Для получения эндоэдральных фуллеренов используется герметичная металлическая водоохлаждаемая камера 1 (фиг. 1). В нижней части камеры закреплены выводы для подачи графитовых электродов 2, 2′, 3 и 3′.

Электрод 4 стационарно закреплен в дне камеры. В осевые отверстия всех графитовых электродов помещают вещества, содержащие химические элементы, которые вводят внутрь фуллереновой молекулы. Снизу в камеру через отверстие для ввода газа 11 подают поток плазмообразующего газа (фиг. 2) и осуществляют разряд 12, на ток дуги которого действует магнитное поле. Отвод газа из камеры осуществляют через отверстие 13. Создание магнитного поля осуществляют следующим образом. Генератор исходной частоты 5 вырабатывает сигнал частотой 66 или 44 кГц. Фазовращатель 6 позволяет получать сигнал, сдвинутый по фазе относительно исходного на угол в диапазоне от 0 до 180° (от 0 до π). Усилители мощности (25 кВт) 7 и 7′ исходного и сдвинутого по фазе токов соответственно. Согласующие трансформаторы Тр.1 и Тр.1′, преобразующие входное напряжение 450 В в напряжение 56 В. Конденсатор 8 (3,45 мкрФ) совместно с катушками индуктивности 9 и 10 (3,79 мкрГн) и с дугой (а) образует колебательный контур, резонансная частота которого совпадает с исходной частотой, а конденсатор 8′ совместно с катушками индуктивности 9′, 10′ и с дугой (б) образует колебательный контур, резонансная частота которого также совпадает с исходной частотой.

Для резонансной частоты генератора, ток в дуге соответствует максимальному значению 280 А при активном сопротивлении дуги 0.2 Ом. Так как скорость изменения температуры и, соответственно, электронной концентрации, которая определяет максимальный выход фуллеренов и содержание различных фуллеренов в образующемся составе фуллереновой смеси, и зависит от фазового сдвига между током дуги и магнитным полем, перпендикулярным этому току, то сдвиг фаз выбирается в соответствии с задачей получения различных эндоэдральных фуллеренов.

Преимущества данного способа заключается в том, что площадь поверхности занятого плазмой объема увеличена, что приводит к увеличению области с оптимальными параметрами плазмы (температура и электронная концентрация), соответствующими более эффективному образованию фуллеренов и эндоэдральных фуллеренов.