Вплив температури на пористість нанопористого вуглецю, отриманого з карбіду титану

Abstract

UK: Мета дослідження – визначення залежності значення питомої поверхні та розподілу пор за розмірами від температури синтезу нанопористого вуглецю, одержаного з карбіду титану шляхом обробки хлором. Методика. Нанопористий вуглець одержували обробкою порошку карбіду титану потоком хлору на експериментальній установці проточного типу за температур від 300 до 1 200 °С. Визначення питомої поверхні та розміру пор виконували на автоматичному обладнанні (Quantachrome, США) з комп’ютерним керуванням та обробкою даних. Для цього застосовано метод Брунауера – Еммета-Теллера (БЕТ). Пористу структуру вуглецю, а саме об’єм пор та їх розподіл за розмірами, визначено на підставі функціональної теорії нелокальної щільності (NLDFT) із застосуванням програмного забезпечення, що додається до приладу. Результати. Експериментально встановлено, що зміна температури хлорування карбіду титану дозволяє впливати на розмір пор одержуваного вуглецю і контролювати однаковий розмір пор у вузькому діапазоні розмірів. Із підвищенням температури загальний об’єм пор і показники питомої поверхні збільшуються і досягають максимального значення за температури синтезу 1 000 °С (до 1 442 м2/г за БЕТ), при цьому зменшується кількість мікропор і підвищується мезопористість. Наукова новизна. Вперше з’ясовано, що шляхом зміни температури хлорування карбіду титану можна забезпечити одержання нанопористого вуглецю з контрольованим розміром пор у межах до 2 нм. Практична значимість. Результати дослідження можуть бути використані для розроблення технології виробництва суперконденсаторів.

RU: Цель работы – определение зависимости значения удельной поверхности и распределения пор по размерам от температуры синтеза нанопористого углерода, полученного из карбида титана путем обработки хлором. Методика. Нанопористый углерод получен обработкой порошка карбида титана потоком хлора на экспериментальной установке проточного типа при температурах от 300 до 1 200 °С. Определение удельной поверхности и размера пор выполнено на автоматическом оборудовании (Quantachrome, США) с компьютерным управлением и обработкой данных. Для определения удельной поверхности применен метод Брунауера – Эммета–Теллера (БЭТ). Пористую структуру углерода, а именно объем пор и их распределение по размерам, определяли на основании функциональной теории нелокальной плотности (NLDFT) с применением программного обеспечения, прилагаемого к прибору. Результаты. Экспериментально установлено, что изменение температуры хлорирования карбида титана позволяет влиять на размер пор получаемого углерода и контролировать одинаковый размер пор в узком диапазонe размеров. С повышением температуры общий объем пор и значение удельной поверхности увеличиваются и достигают максимального значения при температуре синтеза 1 000 °С (до 1 442 м2/г по БЭТ), при этом уменьшается количество микропор и увеличивается мезопористость. Научная новизна. Впервые установлено, что путем изменения температуры хлорирования карбида титана можно обеспечить получение нанопористого углерода с контролированным размером пор в пределах до 2 нм. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке технологии производства суперконденсаторов.

EN: The research was aimed to determine the dependence of the specific surface area and pore size distribution on the synthesis temperature for nanoporous carbon obtained from titanium carbide by chlorine treatment. Methodology. Nanoporous carbon has been obtained by treating titanium carbide powder with a stream of chlorine in a flow-type experimental setup at temperature range from 300°C to 1 200 °C. The specific surface area and pore size have been determined using automatic equipment (Quantachrome, USA) with computer control and data processing. To determine the specific surface, the Brunauer – Emmett – Teller (BET) method has been used. The porous structure of carbon, namely the pore volume and its size distribution, has been determined on the basis of the non-local density functional theory (NLDFT) using the software which is supplied with the device. Results. It has been experimentally established that change of chlorination temperature at titanium carbide processing effects on the pore size of the resulting carbon and allows controlling the same pore size in a narrow size range. With increasing temperature, the total pore volume and specific surface area increase as well and reach their maximum value at a synthesis temperature of 1 000 ° C (up to 1 442 m2/g according to BET), while the number of micropores decreases and mesoporosity increases. Scientific novelty. It has been found for the first time that due to a change in the temperature of titanium carbide chlorination it is possible to obtain nanoporous carbon with a controlled pore size up to 2 nm. Practical significance. The research results can be used for developing technology of supercapacitor production.