ТЕРМІЧНА КІНЕТИКА ОКИСНЕННЯ ПОРОШКІВ ГРАФЕНУ–МІКРО В ПОТОЦІ ОКСИГЕНУ 

Анотація

Виміряно окиснювальні властивості порошків графену-мікро в потоці очищеного оксигену (v_O2 = 5,21 ·10^-4 моль · с^-1 = const). Порошки графену атестовані виробником (Centre of Development 2D Materials, Innovation Development Laboratories - National University of Singapore). Для випробувань були залучені методи: фракціонованого послідовного окиснення у часі при встановлених температурних максимумах швидкості виділення СО₂; поступового нагрівання аналогічно ДТА зі швидкістю ~20 К/хв. Кількість екстрагованого карбону у вигляді СО₂ фіксувалась щохвилини. Повторювана послідовність фракціонованого температурного окиснення паралельних проб графену визначила характерний розклад (окиснення) трьох фракцій при температурах 953; 1003 та 1043 ± 10 К. Одержані результати свідчать про задовільну однорідність порошків графену та їх симбатність (подібність, схожість) щодо характеру окиснення відповідних поперечно-, конусно-шарових та сувоєподібних карбонових волокон-нано при 923; 973 та 1013 ± 10 К. За зображеннями сканувальної електронної мікроскопії візуально виділено три схожі морфологічні складові частинок порошку графену-мікро: площинні, згорнуті в конус та сувій. Середні розміри частинок графену-мікро на три порядки більші від середніх діаметрів волокнистих аналогів-нано. Механізм окиснення нано- та мікроформ карбону на повітрі має дві складові. Перша –окиснення периферії частинок графену (стан очікування): абсорб­ція молекул оксигену на поверхні 2D графену (≥234 К); міграція до крайових (периметричних) атомів карбону; рекомбінація молекул оксигену з периметричним карбоном; відновлення розірваних зав'язків карбону містковими зв'язками оксигену (2-). Друга складова (термокінетичний стан при нагріванні): відщеплення СО; окиснення СО до СО₂ (окиснення, тління, горіння). При цьому стан очікування забезпечує протікання термокінетичного стану. Розмір частинок-мікро та питома концентрація крайових периметричних пар атомів карбону й оксигену на периферії пластинок графену впливає на швидкість і температуру окиснення фракцій порошку. Зсув температур окиснення морфологічних форм графену у порів­нянні з волокнистими наноформами складає в середньому +(30–50 К). Процедура очищення порошків графену сприяє переходу найбільш активних площинних частинок у згорнуті форми. Температурна кінетична залежність окиснення очищеного графену має вигляд ступінчастої кривої S-подібного типу з насиченням. Початкові швидкості окиснення карбону v_oxC = 4,57 × 10^-8 моль × с^-1 зафіксовані при 823 К. При входженні в експоненційну область вимірювань (873-983 К) швидкості реакції окиснення порошку графену-мікро v_oxC зростають від 9,99 × 10^-8 до 1,5 × 10^-6 моль × с^-1; константи швидкос­ті реакції окиснення k_охC – від 1,91× 10^-4 до 1,51× 10^-3. Активаційні характеристики: E_a.oxC = 168 ± 10 кДж × моль^-1; частотні – A₀ = 6,06 × 10⁵ до 7,40 · 10⁶ с^-1. Після точки перегину при 983 К і до 1073 К швидкість окиснення була в межах (1,92 × 10^-6)–(1,06 × 10^-6) моль × с^-1; при 1093 К вона складала (8,89 · 10^-7)–(3,30 · 10^-8) моль ·с^-1. Надалі, до 1123 К, швидкості окиснення карбону дорівнювали нулю, коли зразок згорів повністю. Відома теоретично розрахована енергія активації окиснення графіту складає 172 кДж · моль^-1. Одержані експериментальні результати укладаються в межі теоретичної величини. Попередні вимірювання для багато-стінних трубок-нано, внутріш­ньо-гранулярних включень графіту та вільного карбону-нано (цибулини, графітові пакети, конусно-шарові волокна та трубки) промислових порошків бору карбіду B_15-xC_x близькі до наведених даних.