О материале и его применении

Углеродный материал с ячеистой структурой (углеродная пена, пеноуглерод) сочетает в себе присущую углероду в отсутствие воздуха высокую термическую и химическую стойкость, а благодаря «ажурности» трехмерной структуры — низкую плотность и высокоразвитую внешнюю поверхность. Углеродная пена имеет упорядоченную структуру ячеек, которая хорошо видна невооруженным взглядом. Размер ячеек, плотность, прочность и другие характеристики пеноуглерода можно варьировать в зависимости от используемого сырья и метода синтеза. Благодаря набору уникальных свойств, пеноуглерод используют в медицине, авиа- и ракетостроении, строительстве.

Ученые Центра новых химических технологий (ЦНХТ) ИК СО РАН создали пеноуглерод на основе пропан-бутановой смеси. Они получили суперлегкий материал как закрытой, так и открытой ячеистой структуры плотностью 0,02 г/см³. Он состоит из чистого углерода, без каких-либо примесей. Исследования показали, что в качестве сырья для его производства можно использовать различные тяжелые нефтяные фракции, в том числе отходы нефтепереработки.

«Мы взяли техническую пропан-бутановую смесь — один из товарных продуктов нефте- и газопереработки. Методом пиролиза из этих газов получают алкены, а образующиеся при этом жидкие пиролизные смолы становятся побочным нежелательным продуктом. В нашем процессе жидкие продукты пиролиза углеводородных газов являются продуктом целевым — предшественником пеноуглерода. Если развивать технологию, то пеноуглерод можно будет получать в промышленных масштабах, вторично используя многотоннажные технические отходы, и он будет доступным», — рассказывает один из авторов исследования, младший научный сотрудник отдела каталитических превращений ЦНХТ ИК СО РАН Евгения Райская.

Полученный пеноуглерод имеет такую степень чистоты, что его можно использовать в медицине. Но ученые сосредоточились на экологическом приложении материала — сорбции нефти и нефтепродуктов с поверхности воды. Разливы нефти — серьезная проблема для окружающей среды, они постоянно случаются по всему миру в разных объемах. Например, один из крупнейших разливов случился в 2022 году в США — в воду попало 14 тысяч баррелей нефти, или 1,9 тысяч тонн.

«Углеродная пена — очень эффективный сорбент. Нефть заполняет большой внутренний объем материала, а низкая плотность и гидрофобность обеспечивают длительную плавучесть такого пеноуглерода на поверхности воды. Высокая химическая и структурная однородность полученной углеродной пены обеспечивает хорошую термостойкость и регенерируемость сорбента. После использования пеноуглерод с абсорбированной нефтью прокаливают на воздухе при температуре до 550 ℃ — основная часть нефти сгорает, а материал можно использовать снова. Наша пена выдерживает десятки таких циклов при извлечении из воды нефти, бензина и дизельного топлива», — говорит Райская. Сорбционная емкость материала очень высокая: 1 грамм сорбента способен впитать 20 граммов нефти, в то время как традиционные сорбенты способны поглотить не более 10 граммов. 

Еще одно приложение, где можно использовать пеноуглерод — катализ. Материал не только термостойкий, но и устойчивый к кислотам. Он работает в агрессивных средах и не разрушается даже при выдержке в концентрированной серной кислоте. Кроме того, структура углеродной пены обеспечивает низкое сопротивление движению высокоскоростных потоков, что важно для уменьшения времени контакта и повышения селективности в многостадийных каталитических реакциях.

Особенности синтеза углеродного ячеистого материала в ЦНХТ ИК СО РАН

Пеноуглерод различного строения как новый материал появился в 1970-х годах. С тех пор группы ученых из разных стран разрабатывают свои способы получения углеродной пены и изменения ее свойств. По словам соавтора работы, ведущего научного сотрудника отдела каталитических превращений ЦНХТ ИК СО РАН, к.х.н. Ольги Бельской, методов синтеза углеродной пены и видов сырья для нее очень много: 

«Материалы получают из тяжелых продуктов нефтепереработки, оксида графита, полимеров, растительной массы. В качестве способов используют сборку графеновых слоев, сжатие и сброс давления, темплатную карбонизацию и т.д. Эти способы требуют нескольких стадий, специальных условий и дополнительных реагентов».

Синтез углеродной пены в Центре новых химических технологий ИК СО РАН проводят в две стадии при атмосферном давлении без добавления вспенивателей. Сначала пропан-бутановую смесь нагревают при 850 ℃ для образования пиролизных смол — полиароматических молекул. В определенных условиях происходит конденсация этих молекул и их определенная ориентация с образованием так называемой мезофазы. Она и становится предшественником пеноуглерода.

На следующей стадии — вспенивании – углеводородные цепочки, связывающие полиароматические слои, отрываются, и образуются газовые пузыри. 

«Слои становятся подвижными и обволакивают эти пузыри. Этот процесс можно сравнить с образованием мыльной пены. Вспенивание происходит при высокой температуре и сопровождается карбонизацией. В общем, формирование мезофазного предшественника, содержащего одновременно газо- и структурообразующие компоненты, — это ключевая стадия технологии», — поясняет Бельская.

Ученый отмечает, что мезофазный предшественник необходимого состава можно получить не только из пропан-бутановой смеси, но и из других углеводородных фракций (в том числе побочных продуктов производств), где есть поликонденсированные ароматические молекулы. Это открывает перспективы для масштабирования синтеза пеноуглерода. 

Об исследователях: по словам Евгении Райской, научных открытий в исследуемой ими области, сделанных одним человеком, практически не бывает — это всегда коллективная работа, в которую каждый участник вносит свой вклад. Впервые возможность формировать ячеистый углерод из продуктов пиролиза пропан-бутановой смеси обнаружил еще в 1998 году главный научный сотрудник ЦНХТ ИК СО РАН, д.х.н. Георгий Плаксин. Проблемы, связанные с невоспроизводимостью синтеза, и смерть ученого привели к закрытию тематики. И его коллегам пришлось «открывать» направление практически заново, что у них и получилось. Вместе с Евгенией Райской и Ольгой Бельской над темой получения и использования пеноуглеродов работает также научный консультант, главный научный сотрудник ИК СО РАН, член-корреспондент РАН Владимир Лихолобов.