Аннотация:Углеродные наноматериалы (УНМ) благодаря уникальному разнообразию форм, строения и свойств используются в самых разных областях науки и техники. УНМ применяются в качестве катализаторов, носителей катализаторов, адсорбентов, материалов электродов суперконденсаторов, сенсоров, лубрикантов и т.д. В ряде случаев необходима компактизация (гранулирование) УНМ. Как правило, гранулирование осуществляют с помощью введения связующих добавок, либо при ковалентной «сшивке» отдельных частиц. В последнее время описано получение компактизатов УНМ при обработке их порошков в условиях искрового плазменного спекания (ИПС).
Метод ИПС заключается в электростимулированном спекании веществ или материалов при высоких давлениях и температурах и применим для получения высокоплотных образцов самых разнообразных веществ и материалов: металлов и их сплавов, оксидов, нитридов, халькогенидов, композитов, полимеров и др. Среди консолидированных методом ИПС углеродных наноматериалов описаны одностенные и многостенные углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены, окисленный графен, графит, углеродные волокна, активированные угли, наноалмазы. В зависимости от условий ИПС (T и P), природы УНМ и наличия катализатора в системе происходят различные процессы: образование новых С-С связей, совершенствование графитовой структуры, элиминирование поверхностных групп или перекристаллизация с образованием новой аллотропной модификации углерода. Например, малослойные графитовые фрагменты (МГФ) при ИП-спекании превращаются в частицы с луковичной углеродной структурой (ЛУС). Отметим, что самым распространенным методом получения ЛУС является обработка плазмой смеси графита и аморфного углерода, отжиг наноалмазов, воздействии высокоэнергетического излучения на МГФ: описано превращение частиц МГФ в ЛУС непосредственно в колонне просвечивающего электронного микроскопа и т.д.
Термохимические характеристики – значения удельной стандартной теплоты сгорания ΔгHo298 и образования ∆обр.H0298, а также свободная энергия Гиббса ΔG0298 – определены для небольшого количества УНМ. Наиболее термодинамически стабильной макроформой углерода является графит. Энтальпия образования УНМ зависит от их структуры, размера, наличия функциональных групп. Поверхностные функциональные группы стабилизируют всю систему, как было показано на примерах поверхностно-оксиленных УНТ, окисленных наноалмазов, частиц ЛУС с функциональными группами на поверхности. Кроме того, определение значений энтальпии образования УНТ до и после ИП-спекания позволило существенно расширить представления о механизме спекания и подтвердить образование новых С-С связей и формирование 3D-каркаса.
Цель настоящей работы – получение консолидированных методом ИП-спекания частиц МГФ и гетерозамещенных атомами азота, фосфора и кремния частиц МГФ, определение их физико-химических и термохимических характеристик и механизма спекания. Для этого были сформулированы следующие задачи: (1) получение частиц МГФ, N-МГФ, P-МГФ, Si-МГФ; (2) консолидирование МГФ, N-МГФ, P-МГФ, Si-МГФ методом ИПС; (3) исследование полученных продуктов до и после обработки ИПС современными методами; (4) определение термохимических характеристик удельной стандартной теплоты сгорания ΔгHo298 и образования ∆обр.H0298 методом изотермической бомбовой калориметрии; (5) исследование механизма спекания МГФ, N-МГФ, P-МГФ, Si-МГФ в условиях ИПС и его моделирование при плазменной обработке МГФ, N-МГФ, P-МГФ, Si-МГФ.
