NO313839B1 - Karbonmateriale omfattende en blanding av grafittiske mikrodomener, samt mikrokonisk grafittisk materiale - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen gjelder nye karbonmaterialer som er anvendbare for å tilveiebringe en høy adsorptivitetstetthet for energilagring og renselsesprosesser.

Nye karbonstrukturer er idag underlagt en intens interesse på grunn av at det kan produseres et stort antall av strukturer som hver har unike og nye egenskaper. Egenskapene er følsomme for materialet mikrostruktur som kan varieres ved graden av grafittisering og introduksjon av ringer andre enn heksagonene i nettverket. Fullerenende er eksempler på nye grafittstrukturer hvor introduksjonen av 12 pentagoner i det heksagonale nettverket resulterer i lukkede skall [1]. Karbonnanorør er også eksempler på slike muligheter [2]. Åpne koniske strukturer er et annet eksempel på mulige grafittstrukturer, men kun noen av fem mulige typer har blitt syntetisert [3, 4, 5]. Både fullerene og nanorør har forskjellige egenskaper fra grafitt som er dannet av utstrakte 2-dimensjonale ark av karbon anordnet i et rent heksagonalt mønster.

Fullerene og nanorør er ikke anvendbare for å tilveiebringe en høy adsorptivitetstetthet på grunn av at de indre overflatene ikke er tilgjengelige på grunn av deres lukkede skallstrukturer. Innskytning av andre elementer mellom lagene i multiskalls nanorør eller fullererener er ytterligere begrenset på grunn av at individuelle skall vanskelig lar seg ekspandere da de danner lukkede sløyfer. Flate, grafittiske materialer dannet av stabler av 2-dimensjonale ark har mye høyere overflateareal for adsorpsjon av gjesteelementer og forbindelser fordi arkene er åpne i endene, og er dermed generelt foretrukket for slike hensikter. Imidlertid er adsorpsjonsprosessen begrenset av diffusjon for slike materialer. Jo større de grafittiske domenene er, jo tregere vil adsorpsjonen bli. Høyt grafittiserte materialer hvor domenene er små, vil være av potensiell interesse da diffusjonen inn og ut av materialet vil være svært rask. Av større potensiell interesse vil et materiale hvor slike små domener er forbundet ved ikke-kjemisk binding slik at gjestematerialene kan enkelt nå alle de grafittiske mikrodomenene ved perkolasjon gjennom hovedmassen til karbonmaterialet. Tilgjengeligheten til mikrodomenene kunne bli ytterligere øket hvis noe eller alle domenene hadde topologiske disklineringer, fortrinnsvis at hvert domene en disklinasjon som er mindre eller lik 300° disklinasjon for å tilveiebringe kaviteter, eller mikroporer, for strømming av gjestematerialer.

En målsetning med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et høyt krystallinsk grafittisk materiale omfattende mikrodomener som ikke er bundet til hverandre og som er lett tilgjengelig for adsorbater for energilagring og renselsesprosesser.

Oppfinnelsens målsetning oppnås ved det som framgår i de vedlagte krav, samt den etterfølgende beskrivelse av oppfinnelsen.

Dette er oppnådd ved at oppfinnelsen tilveiebringer et nytt grafittisk materiale som har fordelen av å være sammensatt av grafittiserte mikrodomener hvor hvert domene er unikt definert ved dens totale topologiske disklinasjon (TD) i den generelle formelen:

TD = N60° hvorO <N<5.

Strukturene til slike grafittiske domener kan grovt beskrives som stabler av grafittiske flak med plane (N=0) eller koniske strukturer (N=l til 5).

De ovenforstående målsetningene er oppnådd ved et materiale som er karakterisert ved trekkene gitt i de vedlagte krav.

Oppfinnelsen vil bli ytterligere beskrevet fra vedlagte figurer og mer detaljerte spesifikasjoner. Fig. 1 viser et transmissjonselektronmikroskopfotografi av prøver som avslører forskjellige typer av mikrodomener i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 viser projiserte vinkler av grafitt som har total disklinasjon på 0, 60, 120, 180, 240 og 300°. Fig. 3A, 3B, 3C, 3D og 3E viser eksempler på domenene for hver type med total disklinasjon på henholdsvis 60, 120, 180, 240 og 300° i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Materialet kan fremstilles ved å spalte hydrokarboner ved pyrolyse i f.eks. en plasmareaktor i to trinn. En egnet plasmareaktor er beskrevet i detalj i søkerens europeiske patent, EP 0 616 599 Bl. I det første trinnet innstilles betingelsene slik at man ikke oppnår pyrolysetemperatur, men tilstrekkelig til at hydrokarbonene fordampes og gjennomgår en spaltings- og polymerisasjonsprosess. Dette resulterer i dannelse av polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH). I det andre trinnet sendes det dannede PAH gjennom en ny plasmasone, men denne gang med betingelser som resulterer i en fullstendig pyrolyse. Det følgende eksempel gir en mer detaljert fremstilling av en måte å produsere materialet på.

Eksempel på fremstilling av materialet.

Det ble benyttet tungolje som ble forhåndsoppvarmet til 160°C og hydrogen ble anvendt som plasmagass. I det første trinnet ble den oppvarmede oljen innført i plasmareaktoren ved hjelp av en selvoppfunnet aksielt innrettet lanse med en matehastighet på 115 kg/time. Trykket i reaktoren ble opprettholdt på 2 bar, og matehastigheten til hydrogengassen var på 450 Nm<3>/time. Brutto kraftforsyning til plasmareaktoren var 1005 kW, noe som resulterte i en entalpi på plasmagassen på 2,2 kWh/Nm H2. Oppholdstiden i reaktoren, dvs. tiden fra oljen entret reaktoren til at PAH kom ut i andre enden var ca. 0,16 s.

Det resulterende PAH ble reintrodusert i plasmareaktorens lysbuesone for å danne det nye grafittmaterialet. Utbyttet ble over 90% og det ble målt et flyktig innhold på 0,7% i karbonmaterialet. Alle andre prosessparametre var som for trinn 1.

Utbyttet av grafittiske mikrodomenematerialer er bedre enn 90 % under optimale betingelser. Fig. 1 viser et typisk eksempel på innholdet i materialet. Hver del i prøven danner et enkelt grafittisk domene og innretningene av arkene i hvert domene er typisk, men ikke nødvendigvis, turbostratisk som bestemt fra elektronmikroskopi. Diameteren til domenene er typisk mindre enn fem mikrometer og tykkelsen er mindre enn hundre nanometer.

Det kan vises at ut i fra et sammenhengende ark av grafitt, kan det kun settes sammen fem typer av koner. Med andre ord, hvis en kone er lagd av et ikke-avbrutt ark av grafitt, med unntak av den åpne enden, er det kun fem mulige typer på grunn av symmetrien til grafitten. Disse korresponderer til en total disklinasjon på 60, 120, 180, 240 og 300°. En total disklinasjon på 0° tilsvarer et flatt domene. Fig. 2 viser skjematisk de projiserte vinklene til disse strukturene. Eksemplene på hver av disse typene av domener er vist i fig. 3 A, 3B, 3C, 3D og 3E. Det er viktig å bemerke at alle konene er lukkede ved abscissen. De koniske domener representerer minst 10 % av materialet.

Materialet i foreliggende oppfinnelse består av mikrodomener av grafitt med veldefinert totaldisklinasjoner TD som har diskrete verdier gitt ved formelen:

hvorN = 0, 1, 2, 3, 4 eller 5.

Den lille størrelsen på domenene og tilstedeværelsen av forskjellige disklinasjoner i materialet er nyttig med hensyn på innkorporering av gjesteelementer og forbindelser. Rommet mellom domenene vil tilveiebringe mikroporer for strømningen av gjestematerialet slik at det kan nå hvert domene. Den lille størrelsen på domenene vil tillate en rask diffusjon av gjestematerialet inn og ut av hvert av lagene som domenet er sammensatt av.

Referanser:

1. Donald Huffman, Physics Today, pp. 22-29, november 1991.

2. Thomas W. Ebbesen, Physics Today, pp. 26-31, juni 1996.

3. Maohui Ge og Klaus Sattler, Chem.Phys. Letters 220, 192-196, 1994.

4. Li P og Sattler K, Mat.Res.Soc.Symp.proe., Vol. 359, side 87-91, 1995.

5. Vincent R. et al., Inst.Phys.Conf., Ser. No. 138, side 83-86, 1993.

Claims (6)

1. Karbonmateriale omfattende en blanding av grafittiske mikrodomener bestående av åpne karbonkjegler, hvor mulige totale disklinasjoner (TD) er gitt ved formelen hvor N er et heltall som kan ha verdiene 0, 1, 2, 3, 4 og 5, karakterisert ved at det omfatter grafittiske domener hvor N er 1 og/eller 2, tilsvarende en total disklinasjon på 60° og/eller 120°.

2. Karbonmateriale i henhold til krav 1, karakterisert ved at minst 10 % av materialet omfatter nevnte grafittiske domener.

3. Karbonmateriale i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at domenestørrelsen er mindre enn 5 (im i diameter eller lengde parallell med den grafittiske stablingsretningen.

4. Karbonmateriale i henhold til krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at domenestørrelsen er mindre enn 100 nm i den grafittiske stablingsretningen.

5. Mikrokonisk grafittisk materiale bestående av åpne karbonkjegler, karakterisert ved at materialet har en total disklinasjon på 60°.

6. Mikrokonisk grafittisk materiale bestående av åpne karbonkjegler, karakterisert ved at materialet har en total disklinasjon på 120°.