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活性炭载阴离子合成碳化硅
文章作者:bet356下载网络部 更新时间:2021-6-15 16:03:27

  活性炭载阴离子合成碳化硅

  碳(tan)(tan)化硅(gui)是一种共价(jia)结合的碳(tan)(tan)化物陶瓷,具有(you)高(gao)(gao)硬度和耐磨性(xing),耐温超(chao)过1600℃。由于这(zhei)(zhei)些特(te)性(xing),SiC对采(cai)矿、航空航天(tian)和高(gao)(gao)温电(dian)子(zi)应(ying)用等行业很有(you)作(zuo)用。然而,由于制造这(zhei)(zhei)种材(cai)料需要大量能量,因此正在研(yan)究(jiu)其他(ta)更节(jie)能的方法(fa)。在这(zhei)(zhei)项研(yan)究(jiu)中,碳(tan)(tan)化硅(gui)是由从溶液(ye)中吸(xi)附到活(huo)性(xing)炭上的硅(gui)酸盐阴离子(zi)合成(cheng)的,并在保护气体气氛下渗碳(tan)(tan)。

  碳化硅

  碳(tan)化硅(gui)因(yin)其广(guang)泛(fan)的(de)应用范围而成为许多(duo)(duo)研究和表征尝(chang)试(shi)的(de)主题。硅(gui)和碳(tan)的(de)尺寸相似,碳(tan)化硅(gui)的(de)结(jie)(jie)构导(dao)致(zhi)每个(ge)硅(gui)和碳(tan)原(yuan)子(zi)被其他(ta)类(lei)型(xing)的(de)四个(ge)原(yuan)子(zi)包围。结(jie)(jie)果,碳(tan)化硅(gui)分(fen)(fen)子(zi)可(ke)以在(zai)单晶(jing)(jing)面(mian)上形(xing)成薄片。当另(ling)一个(ge)平(ping)面(mian)堆(dui)叠在(zai)前(qian)一个(ge)平(ping)面(mian)的(de)顶(ding)部(bu)时,就会(hui)发(fa)生(sheng)偏移(yi),四面(mian)体形(xing)式的(de)分(fen)(fen)子(zi)会(hui)发(fa)生(sheng)偏移(yi)。由于这种变化而导(dao)致(zhi)的(de)分(fen)(fen)子(zi)排列称为多(duo)(duo)晶(jing)(jing)型(xing),而一维等价物(wu)称为多(duo)(duo)型(xing)。当发(fa)生(sheng)不同(tong)的(de)分(fen)(fen)子(zi)位移(yi)时,会(hui)出现(xian)(xian)不同(tong)的(de)碳(tan)化硅(gui)多(duo)(duo)型(xing)。当材(cai)料(liao)平(ping)面(mian)的(de)一部(bu)分(fen)(fen)与(yu)同(tong)一平(ping)面(mian)上的(de)其他(ta)分(fen)(fen)子(zi)未(wei)对齐时,材(cai)料(liao)中就会(hui)出现(xian)(xian)缺(que)陷 。然而,当材(cai)料(liao)在(zai)晶(jing)(jing)格内的(de)不同(tong)配置下稳定时,就会(hui)发(fa)生(sheng)晶(jing)(jing)体多(duo)(duo)型(xing)。

  图1:显示(shi)了原子可以采取的不(bu)同(tong)排列方式来形成碳(tan)化硅(gui)。

  碳化硅合成方法

  基本制(zhi)造工艺是硅(gui)砂(sha)和冶金焦炭在碳导体周围混合和压实(shi),形(xing)成SiC晶体。然后将最终(zhong)产品粉碎至所需尺寸。

  更先进的碳化硅(gui)合成(cheng)技术和(he)工(gong)艺已经(jing)被开发出来,用于(yu)特殊(shu)应用。这(zhei)些特殊(shu)工(gong)艺可用于(yu)生产某种类型的碳化硅(gui)或(huo)生产特定(ding)形状(zhuang)的碳化硅(gui)复合物(wu),如晶圆(yuan)或(huo)纤维。

  另一种(zhong)方法(fa)是(shi)使用(yong)活性(xing)(xing)炭做前体(ti),并将其(qi)(qi)与含硅的(de)聚合物(wu)凝胶混合,以确(que)保活性(xing)(xing)炭和硅前体(ti)之(zhi)间充分接触。然后将这(zhei)(zhei)种(zhong)糊(hu)状物(wu)加热到1400度°形成(cheng)了碳(tan)和碳(tan)化硅晶须。制造碳(tan)化硅的(de)其(qi)(qi)他(ta)方法(fa)利用(yong)了活性(xing)(xing)炭装(zhuang)载了二氧化硅,并提升到1400°C在(zai)25%H2的(de)还原性(xing)(xing)气体(ti)气氛(fen)下,剩余气氛(fen)由(you)氩气组成(cheng)。在(zai)这(zhei)(zhei)两种(zhong)情况下,碳(tan)化硅晶须都载入到活性(xing)(xing)炭。

  活性炭

  活(huo)性(xing)炭(tan)在(zai)(zai)水净化、污染控制、采矿(kuang)等工(gong)业领域有(you)很(hen)长的(de)使用历(li)史,这些用途来自活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)吸附(fu)特性(xing),这是材(cai)(cai)料(liao)(liao)无序微观结构的(de)结果。活(huo)性(xing)炭(tan)是碳(tan)的(de)一(yi)种(zhong)加工(gong)形(xing)(xing)式,具有(you)显着(zhe)的(de)吸附(fu)性(xing)能。活(huo)性(xing)炭(tan)是通(tong)过在(zai)(zai)惰性(xing)气氛中对有(you)机材(cai)(cai)料(liao)(liao)进行(xing)渗(shen)碳(tan)而生产的(de)。当(dang)挥发性(xing)有(you)机物(wu)燃烧时,它(ta)们会在(zai)(zai)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)中留下(xia)孔(kong)洞,从而使材(cai)(cai)料(liao)(liao)多(duo)孔(kong)。活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)表面(mian)可以想象成一(yi)个(ge)有(you)缺陷和无序的(de)石(shi)(shi)墨烯层(ceng)。石(shi)(shi)墨烯通(tong)常是碳(tan)原(yuan)子以六边形(xing)(xing)结构依(yi)次连(lian)接形(xing)(xing)成一(yi)个(ge)平(ping)面(mian),其(qi)中几(ji)个(ge)平(ping)面(mian)堆叠(die)在(zai)(zai)彼此的(de)顶部,通(tong)过范德华力保持在(zai)(zai)一(yi)起。在(zai)(zai)活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)情(qing)况下(xia),碳(tan)原(yuan)子不是形(xing)(xing)成材(cai)(cai)料(liao)(liao)平(ping)面(mian),而是以随机的(de)三(san)维结构连(lian)接,对其(qi)周围施(shi)加显着(zhe)的(de)范德华力,打开(kai)相邻的(de)孔(kong)。

  如(ru)图2所(suo)示(shi),活(huo)性(xing)炭结构(gou)中的(de)孔(kong)隙比它们(men)的(de)宽度长,增加(jia)分(fen)子在(zai)遇到孔(kong)隙末端之前受到范(fan)德华力影响(xiang)的(de)几(ji)率。当这(zhei)种情(qing)况发生时,过大或形状不正确的(de)分(fen)子无法进入(ru)这(zhei)些孔(kong)隙。使用活(huo)性(xing)炭的(de)产品被(bei)精心生产并设(she)计(ji)用于特定应(ying)用,以(yi)利用一些分(fen)子可以(yi)通(tong)过孔(kong)隙形状来选择。

  图2:活性炭的孔径和(he)形状示例。

  活性炭合成碳化硅

  活性炭吸附(fu)能力可用(yong)于在工艺装置之前(qian)将有(you)机(ji)或无机(ji)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)粘附(fu)到其(qi)表面。对活性炭进行浸(jin)渍是(shi)为了提高现有(you)活性炭性能的(de)有(you)效性,为材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)制备提供催化(hua)剂,或者用(yong)作惰(duo)性载体材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。目前(qian)的(de)工作目标是(shi)减少制造碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)(gui)所需的(de)能量,并更好地(di)理解使用(yong)活性炭和硅(gui)(gui)酸钠水溶液制造碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)(gui)时(shi)促成碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)(gui)形成的(de)变量。

  最初的碳化硅合成实验在(zai)1100℃、1200℃、1300℃和(he)1400℃的温(wen)度(du)下进行。每个样品在(zai)氧化铝陶(tao)瓷船(chuan)中(zhong)测量为1g前体(ti)并装入管式炉中(zhong)。一旦将(jiang)炉子编程到合适的温(wen)度(du)并且将(jiang)氩气流量设(she)置为0.5L/min,让(rang)样品渗(shen)碳4小时、6小时或8小时。

  在放(fang)大运行(xing)中,由于管式炉内的物理约(yue)束限制了(le)(le)可用(yong)的工作(zuo)区域,并(bing)且要(yao)求(qiu)将(jiang)船放(fang)置(zhi)在气流方向(xiang)而不是炉中的同一(yi)位置(zhi),因此使用(yong)了(le)(le)两(liang)个氧(yang)化铝船。每次都放(fang)在同一(yi)个空间并(bing)相(xiang)(xiang)互接触(chu)以试(shi)图消除变量。为了(le)(le)更好地了(le)(le)解(jie)动(dong)力学,对样品船进行(xing)了(le)(le)单独测(ce)试(shi),并(bing)且仅与相(xiang)(xiang)同船放(fang)置(zhi)的其他测(ce)试(shi)运行(xing)进行(xing)了(le)(le)直(zhi)接比较。

  制成的样品成像

  对一个(ge)碳化(hua)硅样(yang)品进行扫(sao)(sao)描电镜(jing)(SEM)成像,以确定其表面白色物(wu)质的(de)(de)组(zu)成。在(zai)扫(sao)(sao)描电子(zi)显(xian)微(wei)镜(jing)下(xia)分析(xi)时,确定该材料为(wei)碳化(hua)硅纤维,范围为(wei)6-10µm。从(cong)炉中取出的(de)(de)样(yang)品如图3顶部所示,隔板(ban)下(xia)方(fang)的(de)(de)样(yang)品为(wei)活性炭(tan)。

  图(tu)(tu)3:渗(shen)碳(tan)前后的样(yang)品图(tu)(tu)像(xiang)。

  气体从(cong)(cong)右向左流(liu)动(dong),材(cai)料(liao)最常(chang)沉积在图像中的(de)船(chuan)1上。这说明材(cai)料(liao)从(cong)(cong)船(chuan)1运(yun)送(song)到(dao)船(chuan)2并与样(yang)品表面的(de)碳(tan)(tan)发生反应(ying)。一旦样(yang)品表面被碳(tan)(tan)化(hua)硅挤满,碳(tan)(tan)化(hua)硅就不(bu)能再(zai)与碳(tan)(tan)反应(ying),而是将(jiang)碳(tan)(tan)化(hua)硅吹(chui)出(chu)炉外。

  图(tu)(tu)(tu)4上半(ban)部(bu)分(fen)显示(shi)了在1200℃下(xia)在Ar气下(xia)加热6小时的炉子运行样(yang)品。这些图(tu)(tu)(tu)像(xiang)取自(zi)与吹扫(sao)气流接触最多的样(yang)品顶(ding)部(bu)。图(tu)(tu)(tu)4下(xia)半(ban)部(bu)分(fen)显示(shi)了在渗碳样(yang)品顶(ding)部(bu)发(fa)现的碳化硅结构的SEM 图(tu)(tu)(tu)像(xiang)。这些图(tu)(tu)(tu)像(xiang)描(miao)绘了在左侧生(sheng)长的碳化硅链(lian),以及在右侧似乎是这些链(lian)生(sheng)长的成核位(wei)点。

  图4:在(zai)图中(zhong)描述的(de)不(bu)同放大倍数下获取(qu)的(de)碳(tan)化硅(gui)纤维的(de)SEM图像,下面(mian)部分(fen)的(de)碳(tan)化硅(gui)成核生长点簇(cu)。

  所(suo)示的(de)股(gu)线(xian)具有不均匀的(de)纹理(li),表明碳化硅晶须由于气相(xiang)而生长。还发现(xian)股(gu)线(xian)与(yu)通(tong)过炉子(zi)的(de)气流一(yi)致,但(dan)是当安装(zhuang)在样品短管(guan)上进(jin)行观察(cha)时,很(hen)难保持纤维对齐(qi)特性(xing)。

  使用活性炭载阴离子(zi)这种方法(fa)创(chuang)建制造碳(tan)化(hua)硅(gui)纳米纤维,并(bing)使对渗碳(tan)行为进行建模(mo)(mo)。当(dang)温度(du)高(gao)(gao)于1250℃时,模(mo)(mo)型显(xian)示(shi)出更高(gao)(gao)的(de)产量(liang),并(bing)且该温度(du)与时间呈正相关。气(qi)体流(liu)(liu)速可能是一(yi)(yi)个重要的(de)变(bian)量(liang),如微(wei)观(guan)和宏观(guan)层面(mian)的(de)样(yang)品组(zu)成所示(shi)。宏观(guan)水平的(de)样(yang)品被证(zheng)明(ming)在(zai)遇(yu)到(dao)(dao)气(qi)流(liu)(liu)的(de)样(yang)品平面(mian)上(shang)有一(yi)(yi)层碳(tan)化(hua)硅(gui)生长。一(yi)(yi)旦(dan)在(zai)SEM下观(guan)察到(dao)(dao)该层,就会在(zai)气(qi)流(liu)(liu)方向上(shang)观(guan)察到(dao)(dao)更明(ming)确的(de)晶须结构。这些物(wu)理(li)观(guan)察结果,再(zai)加上(shang)在(zai)较(jiao)高(gao)(gao)流(liu)(liu)速下获得的(de)样(yang)品缺(que)乏,表明(ming)可能存在(zai)中间气(qi)相,而流(liu)(liu)速是一(yi)(yi)个需(xu)要在(zai)未来工作中探(tan)索的(de)变(bian)量(liang)。

文章标签:椰壳活性炭,果壳活性炭,煤质活性炭,木质活性炭,蜂窝活性炭,净水活性炭.

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