Исследование кристаллической структуры и каталитических свойств ультрадисперсного карбида вольфрама плазмодинамического синтеза
|
Введение 11
1 Карбид вольфрама и методы его синтеза 14
1.1. Химические методы 16
1.1.1 Пиролиз 16
1.1.2 Золь-гель синтез 19
1.1.3 Механохимический синтез 20
1.1.4 Плазмохимический синтез 21
2 Физические методы 22
Выводы по обзору 23
2 Экспериментальная часть 24
2.1 Методика проведения эксперимента 24
2.2 Методы исследования продукта плазмодинамического синтеза и его свойств 27
2.3 Подготовка порошка карбида вольфрама, модифицированного платиной .. 30
3 Результаты исследований 32
3.1 Исследование влияния материала центрального электрода КМПУ на его
работу 32
3.3 Синтез кубического карбида вольфрама 37
3.4 Термические исследования продукта синтеза 42
3.5 Анализ существующих катализаторов на основе карбидов вольфрама 49
3.6 Исследование каталитической активности в реакции получения водорода. 57
3.7 Исследование каталитических свойств кубического карбида вольфрама в
реакции окисления водорода 62
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
4.1 Оценка коммерческого и инновационного потенциала НТИ 64
4.2 Планирование процесса управления НТИ: структура и график проведения,
бюджет, риски и организация закупок 69
Заключение по разделу 4
Заключение 97
Список публикаций студента 99
Список использованных источников
1 Карбид вольфрама и методы его синтеза 14
1.1. Химические методы 16
1.1.1 Пиролиз 16
1.1.2 Золь-гель синтез 19
1.1.3 Механохимический синтез 20
1.1.4 Плазмохимический синтез 21
2 Физические методы 22
Выводы по обзору 23
2 Экспериментальная часть 24
2.1 Методика проведения эксперимента 24
2.2 Методы исследования продукта плазмодинамического синтеза и его свойств 27
2.3 Подготовка порошка карбида вольфрама, модифицированного платиной .. 30
3 Результаты исследований 32
3.1 Исследование влияния материала центрального электрода КМПУ на его
работу 32
3.3 Синтез кубического карбида вольфрама 37
3.4 Термические исследования продукта синтеза 42
3.5 Анализ существующих катализаторов на основе карбидов вольфрама 49
3.6 Исследование каталитической активности в реакции получения водорода. 57
3.7 Исследование каталитических свойств кубического карбида вольфрама в
реакции окисления водорода 62
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
4.1 Оценка коммерческого и инновационного потенциала НТИ 64
4.2 Планирование процесса управления НТИ: структура и график проведения,
бюджет, риски и организация закупок 69
Заключение по разделу 4
Заключение 97
Список публикаций студента 99
Список использованных источников
Выпускная квалификационная работа 143 с., 26 рис., 14 табл., 100 источников, 5 прил.
Ключевые слова: коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, кубический карбид вольфрама, каталитические свойства, получение водорода, окисление водорода.
Объектом исследования является кубический карбид вольфрама, полученный прямым плазмодинамическим методом с помощью импульсного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ).
Цель работы - получение наноразмерного порошка кубического карбида вольфрама высокой чистоты, который можно использовать для развития водородной энергетики.
В процессе исследования проводились эксперименты по получению кубического карбида вольфрама, анализ и обработка полученных данных.
В результате исследования был получен порошок кубического карбида вольфрама высокой чистоты и произведен анализ его каталитических свойств.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: предложен метод получения порошка кубического карбида вольфрама высокой чистоты с помощью КМПУ для применения в водородной энергетике.
Степень внедрения: технология находится на стадии прикладной НИР и нуждается в дальнейшей оптимизации синтеза. После проведения работ по оптимизации и получения лабораторного образца установка будет готова к проведению на ее основе стадии ОКР с целью получения промышленного образца. Экономическая эффективность работы продемонстрирована в главе 4 и основана на высоком спросе на продукт и практическом отсутствии предложения на рынке.
Область применения: кубический карбид вольфрама, полученный прямым плазмодинамическим методом с помощью КМПУ, может быть использован в качестве катализатора в водородной энергетике.
В будущем планируется более подробное исследование каталитической активности катализаторов на основе синтезированного кубического карбида вольфрама.
Постепенное истощение углеводородных энергоносителей, а также мировая экологическая обстановка обуславливают повышенный интерес исследователей к поиску новых источников энергии. В настоящее время активно развиваются направления возобновляемых источников энергии и водородная энергетика, причем водород рассматривается как наиболее перспективный энергоноситель, так как он является наиболее распространенным элементом во вселенной и в результате его окисления образуется вода без выделения каких- либо загрязняющих веществ. Кроме того, удельная теплота сгорания водорода в несколько раз выше, чем у угля, природного газа и нефти.
Одним из возможных способов получения водорода является электролиз воды. При этом эффективность получения водорода из воды во многом зависит от вида катализатора, нанесенного на электроды. Наиболее активным и широко применяемым электрокатализатором является платина. Использование благородного металла делает данный метод получения водорода очень дорогостоящим, что затрудняет дальнейшее внедрение водородных технологий в промышленности. Для производства электроэнергии с помощью водородных топливных элементов (ТЭ) с протонообменной мембраной и метанольных ТЭ также применяется платиновый катализатор. Поэтому поиск недорогого и высокоактивного электрокатализатора является актуальной задачей для альтернативной энергетики в целом.
С тех пор как R.B. Levy and M. Boudart [1] теоретически доказали, что карбид вольфрама обладает каталитическими свойствами, аналогичными металлам платиновой группы для некоторых химических реакций, ученые стали активно предпринимать попытки его применения в качестве катализатора для получения и окисления водорода. Однако вскоре выяснилось, что активность карбида вольфрама намного ниже, чем у платины, зато было обнаружено, что даже при добавлении небольшого количества платины к карбиду вольфрама наблюдается синергетический эффект, заключающийся в повышении
каталитической активности по отношению к реакциям окисления и восстановления водорода. Кроме того, карбид вольфрама отличается высокой стабильностью [2, 3] и высокой электронной проводимостью [4], что также является важным для электрокатализаторов.
Известно, что гексагональный карбид вольфрама со стехиометрией WC является доминирующей фазой в системе вольфрам-углерод. Тем не менее, существуют еще две менее распространенные фазы W2C и WCi-K, причем кубическая фаза WCi-х отличается узким диапазоном температурной стабильности от ~2790 К до ~3060 К, что делает ее наиболее трудной для получения в сравнении с гексагональными модификациями WC и W2C.
Согласно теоретическому анализу, плотность состояний вблизи уровней Ферми фазы WC^ в 2 раза больше, чем у W2C и в 6 раз больше, чем у WC [5]. Это дает основания предполагать, что WC^ может быть наиболее активным катализатором среди указанных трех фаз карбида вольфрама [6]. В связи с этим кубический карбид вольфрама WC^ в настоящее время является объектом активных исследований. Zhang и др. [7] полагают, что кубическая фаза может существовать при комнатной температуре при ультрабыстром охлаждении расплава карбида вольфрама со скоростью 108-1011 К/с. Поэтому одним из перспективных методов получения WC^ является плазмодинамический синтез [8], который позволяет обеспечить нагрев до высокой температуры и ультрабыстрое охлаждение.
Таким образом, объектом данного исследования является кубический карбид вольфрама, полученный прямым плазмодинамическим методом с помощью импульсного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ).
Цель данной работы - получение наноразмерного порошка кубического карбида вольфрама высокой чистоты, который можно использовать для развития водородной энергетики.
Объектом исследования является технология плазмодинамического синтеза карбида вольфрама в гиперскоростной струе вольфрам-углеродной
12
плазмы, а предметом исследования - структура и каталитические свойства продукта синтеза.
Поставленные задачи:
- синтез порошка кубического карбида вольфрама с использованием КМПУ;
- исследование состава и морфологии полученного порошка;
- изучение электрокаталитических свойств синтезированного материала. Результаты работы были апробированы на 12 конференциях различных
уровней и опубликованы 12 статей в журналах индексируемых в базах ВАК, Web of Science и Scopus.
Ключевые слова: коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, кубический карбид вольфрама, каталитические свойства, получение водорода, окисление водорода.
Объектом исследования является кубический карбид вольфрама, полученный прямым плазмодинамическим методом с помощью импульсного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ).
Цель работы - получение наноразмерного порошка кубического карбида вольфрама высокой чистоты, который можно использовать для развития водородной энергетики.
В процессе исследования проводились эксперименты по получению кубического карбида вольфрама, анализ и обработка полученных данных.
В результате исследования был получен порошок кубического карбида вольфрама высокой чистоты и произведен анализ его каталитических свойств.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: предложен метод получения порошка кубического карбида вольфрама высокой чистоты с помощью КМПУ для применения в водородной энергетике.
Степень внедрения: технология находится на стадии прикладной НИР и нуждается в дальнейшей оптимизации синтеза. После проведения работ по оптимизации и получения лабораторного образца установка будет готова к проведению на ее основе стадии ОКР с целью получения промышленного образца. Экономическая эффективность работы продемонстрирована в главе 4 и основана на высоком спросе на продукт и практическом отсутствии предложения на рынке.
Область применения: кубический карбид вольфрама, полученный прямым плазмодинамическим методом с помощью КМПУ, может быть использован в качестве катализатора в водородной энергетике.
В будущем планируется более подробное исследование каталитической активности катализаторов на основе синтезированного кубического карбида вольфрама.
Постепенное истощение углеводородных энергоносителей, а также мировая экологическая обстановка обуславливают повышенный интерес исследователей к поиску новых источников энергии. В настоящее время активно развиваются направления возобновляемых источников энергии и водородная энергетика, причем водород рассматривается как наиболее перспективный энергоноситель, так как он является наиболее распространенным элементом во вселенной и в результате его окисления образуется вода без выделения каких- либо загрязняющих веществ. Кроме того, удельная теплота сгорания водорода в несколько раз выше, чем у угля, природного газа и нефти.
Одним из возможных способов получения водорода является электролиз воды. При этом эффективность получения водорода из воды во многом зависит от вида катализатора, нанесенного на электроды. Наиболее активным и широко применяемым электрокатализатором является платина. Использование благородного металла делает данный метод получения водорода очень дорогостоящим, что затрудняет дальнейшее внедрение водородных технологий в промышленности. Для производства электроэнергии с помощью водородных топливных элементов (ТЭ) с протонообменной мембраной и метанольных ТЭ также применяется платиновый катализатор. Поэтому поиск недорогого и высокоактивного электрокатализатора является актуальной задачей для альтернативной энергетики в целом.
С тех пор как R.B. Levy and M. Boudart [1] теоретически доказали, что карбид вольфрама обладает каталитическими свойствами, аналогичными металлам платиновой группы для некоторых химических реакций, ученые стали активно предпринимать попытки его применения в качестве катализатора для получения и окисления водорода. Однако вскоре выяснилось, что активность карбида вольфрама намного ниже, чем у платины, зато было обнаружено, что даже при добавлении небольшого количества платины к карбиду вольфрама наблюдается синергетический эффект, заключающийся в повышении
каталитической активности по отношению к реакциям окисления и восстановления водорода. Кроме того, карбид вольфрама отличается высокой стабильностью [2, 3] и высокой электронной проводимостью [4], что также является важным для электрокатализаторов.
Известно, что гексагональный карбид вольфрама со стехиометрией WC является доминирующей фазой в системе вольфрам-углерод. Тем не менее, существуют еще две менее распространенные фазы W2C и WCi-K, причем кубическая фаза WCi-х отличается узким диапазоном температурной стабильности от ~2790 К до ~3060 К, что делает ее наиболее трудной для получения в сравнении с гексагональными модификациями WC и W2C.
Согласно теоретическому анализу, плотность состояний вблизи уровней Ферми фазы WC^ в 2 раза больше, чем у W2C и в 6 раз больше, чем у WC [5]. Это дает основания предполагать, что WC^ может быть наиболее активным катализатором среди указанных трех фаз карбида вольфрама [6]. В связи с этим кубический карбид вольфрама WC^ в настоящее время является объектом активных исследований. Zhang и др. [7] полагают, что кубическая фаза может существовать при комнатной температуре при ультрабыстром охлаждении расплава карбида вольфрама со скоростью 108-1011 К/с. Поэтому одним из перспективных методов получения WC^ является плазмодинамический синтез [8], который позволяет обеспечить нагрев до высокой температуры и ультрабыстрое охлаждение.
Таким образом, объектом данного исследования является кубический карбид вольфрама, полученный прямым плазмодинамическим методом с помощью импульсного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ).
Цель данной работы - получение наноразмерного порошка кубического карбида вольфрама высокой чистоты, который можно использовать для развития водородной энергетики.
Объектом исследования является технология плазмодинамического синтеза карбида вольфрама в гиперскоростной струе вольфрам-углеродной
12
плазмы, а предметом исследования - структура и каталитические свойства продукта синтеза.
Поставленные задачи:
- синтез порошка кубического карбида вольфрама с использованием КМПУ;
- исследование состава и морфологии полученного порошка;
- изучение электрокаталитических свойств синтезированного материала. Результаты работы были апробированы на 12 конференциях различных
уровней и опубликованы 12 статей в журналах индексируемых в базах ВАК, Web of Science и Scopus.
В ходе разработки настоящей главы ВКР были решены следующие задачи: определена концепция проекта, факторы микро- и макросреды, проанализирован рынок продукта, проведен SWOT-анализ, разработан календарный план, составлен бюджет проекта и проведена оценка рисков.
Следует отметить важность для проекта в целом проведенных в данной главе исследований, которые позволили объективно оценить эффективность проводимых научно-технических исследований.
Следует отметить важность для проекта в целом проведенных в данной главе исследований, которые позволили объективно оценить эффективность проводимых научно-технических исследований.