Изучение природы полученных сажевых продуктов

При проведении испытаний по обработке дымовых газов факторами низкотемпературной униполярно (отрицательно) ионизированной плазмы на установке В9 среди сажевых продуктов очистки отмечено образование ультрамелкодисперсной фуллеренсодержащей сажи [166–169].

Сочетание двух факторов — восстановительная среда и униполярная ионизация, позволило получать ультрамелкодисперсную сажу с зольностью менее 0,5 %, теплотворной способностью 8100 ккал/кг, с содержанием фуллеренов до 10 %. Полученные образцы черного порошка были исследованы в лаборатории ионно-плазменных технологий ИЯФ НЯЦ РК.

Рентген-флоурентный анализ проведен на электронном микрозонде JCXA 733 (Производство Япония). Рентгеноструктурный анализ представленного порошка был проведен на дифрактометре D8 Advance фирмы Brucer (Германия).

Результаты изучения соотношения компонентов сажи, полученных на электронном микрозонде JCXA 733 приведены в таблице 3.14.

Таблица 3.14

Соотношение составляющих компонент полученных
на электронном микрозонде JCXA 733

Элемент	C	O	Al	Si	S
Соотношение, %	87,88	8,85	1,08	2,01	0,15
Соотношение, атомное %	92,88	6,64	0,48	0,86	0,06

 

Как следует из данных таблицы 3.14, в исследуемом материале присутствует примерно 1 % SiO₂, 0,5 % Аl₂O₃, очень малое количество соединений серы, около 4 % кислорода связанного на молекулах фуллерена, а остальное является чистым углеродом, предположительно в виде смеси фуллеритов переменного состава с нефиксированным соотношением С₆₀/С₇₀ и аморфной смеси, не связанных в кристаллическую решетку молекул С₆₀ и С₇₀, а так же, возможно, сажевых частиц.

Для рентгеноструктурной съемки сажевый порошок был впрессован в стандартную кювету из плавленого кварца дифрактометра D8 Advance. Результаты анализа показывают, что на фоне сильного диффузного рассеяния, полученного при отражении от аморфной фазы, на связанных между собой молекулах С₆₀ и С₇₀ существует ряд отражений от связанных в кристаллическую решетку молекул фуллеренов, соответствующий кубической фазе с параметром решетки а = (1,4281 ± 0,0050) нм (рис. 3.22).

 

Рис. 3.22. Диаграмма фуллеренов, снятая на дифрактометре D8 Advance

Исследования, проведенные на электронном микроскопе JEM 100 CX, дают наиболее убедительные подтверждения того, что в исследуемом материале присутствуют фуллерены (рис 3.23, табл. 3.15).

Рис. 3.23. Электронограммы исследуемого вещества, снятые на электронном микроскопе JЭМ-100 CX

Таблица 3.15

Расчет кристаллических решеток

Электронограмма 4479	Электронограмма 4480
dhkl, Å	(hkl)	dhkl, Å	(hkl)
7,40		7,46
5,19		5,18
3,67		3,73
3,29		3,32
2,56		2,61
2,29		2,54
		2,27

 

Данное число и тип решетки хорошо корреспондируют с известной из литературы фазой С₆₀ (карточка 44–0558) с параметром г.ц.к.-решетки, а = 1,4166. Тот факт, что у исследуемой фазы параметр решетки несколько больше, а также на рентгенограмме присутствуют рефлексы с запрещенными для кубической решетки индексами, объясняется тем, что кроме молекул С₆₀ в исследуемом веществе присутствуют молекулы С₇₀, размер которых больше, а сами они беспорядочно размещены в решетке фуллерита (кристаллической решетки, построенной из молекул фуллеренов С₆₀ и С₇₀, а также других возможных сферических упаковок углерода). Такое же объяснение увеличения параметра решетки фуллерита дается в статье [170].

Обе представленные электронограммы относятся к кубической сингонии и имеют следующие параметры решетки: электронограмма 4479 — a = 1,480 нм, электронограмма 4480 — a = 1,492 нм.Тот факт, что на дифракционных кольцах электронограмм расположены яркие точки, говорит о том, что просвечиваемое электронным лучом зерно состоит из нескольких микроскопических монокристаллов.

Всего при электронографических исследованиях было снято 7 электронограмм, но ни на одной не было зафиксировано признака кристаллизации и графитовых структур с наличием характерного рефлекса d_hkl = 0,34 нм. Данному факту уделено большое значение в статье [146].

 

Рис. 3.24. Пространственная структура зерен исследуемого вещества

На рисунках 3.24 и 3.25 представлены электронно-микроско­пические снимки наиболее характерных микрозерен исследуемого вещества, а на рисунке 3.26 — спектр поглощения ИК. Из данного снимка можно заключить, что исследуемое вещество состоит из зерен округлой формы со средним размером зерна 60 нм. Находящиеся в центре снимка два зерна покрыты мелкими черными точками, выстроенными в правильные ряды.

 

Рис. 3.25. Электронно-микроскопическое изображение отдельных зерен исследуемого вещества

Данные черные точки представляют собой теневое изображение кристаллической решетки просвечиваемых зерен, возникшее в результате того редкого для наблюдений случая, когда одна из осей кристаллической решетки направлена вдоль направления распределения электронного луча.

На основании этого снимка можно сделать заключение о том, что отдельные зерна исследуемого порошка имеют кристаллическую структуру с присутствием фуллеренов.

 

 

Рис. 3.26. Спектр поглощения в инфракрасном диапазоне

Исследование ИК-спектра поглощения, проведенные на ИК-спектрометре Spectrum ВХ фирмы Perkin Elmor, показали, что в диапазоне от 560 до 410 см^–1, характерном для поглощения молекулами фуллеренов, имеется ряд линий (рис. 3.24), что позволяет сделать вывод о том, что в исследуемом порошке присутствуют молекулы фуллеренов различного состава.

Таким образом, результаты рентгено-флуоресцентного анализа показывают, что исследуемое вещество является почти чистым углеродом, а результаты рентгенографических, электронно-микроскопических исследований позволяют заключить, что углерод представлен молекулами фуллеренов различного вида, часть которых образует ГЦК-фазу фуллеритов.