Получение газообразного водорода и наночастиц серебра при разложении углеводородов в низкотемпературной плазме, стимулированной ультразвуком

В данной работе проведены экспериментальные исследования процесса получения водорода и наночастиц серебра с использованием интенсивной ультразвуковой кавитации, воздействующей на плазменный разряд в среде жидких углеводородов.

Было показано, что ультразвуковое воздействие выше порога кавитации интенсифицирует теплои массообменные процессы в обрабатываемой среде, а в сочетании с электрическим разрядом, способствующим появлению ионизованного состояния вещества (плазмы), такое воздействие способно разлагать сложные молекулы углеводородов до атомарного состояния с последующей рекомбинацией и образованием простых молекул.

Эксперименты по получению водорода и наночастиц проводились на специальной установке для реализации акустоплазменного разряда в жидкости. Установка включает в себя ультразвуковой генератор, пьезокерамический преобразователь, источник питания плазменного разряда, реакционную камеру, разрядные электроды.

Результаты анализа газообразных продуктов реакции методом газовой хроматографии показывают, что при акустоплазменном разложении углеводородов происходит образование практически чистого водорода (90-95%); в состав выделяющегося газа входят также пары исходных углеводородов.

Одновременно с получением водородосодержащего газа, при разложении углеводородов в плазменном разряде под действием ультразвуковой кавитации происходит образование наночастиц серебра. Синтезированные наночастицы были выделены и исследованы с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии для установления формы и размера наночастиц.

Исследование наночастиц методом электронной микроскопии показало, что при синтезе получаются частицы в основном сферической формы. Размер синтезированных наночастиц составляет 30-40 нм. Методом электронной микроскопии показано также, что при агрегации частицы не укрупняются в размерах, а образуют составные ассоциаты. Важно отметить также, что преимуществом данного метода для синтеза наночастиц является их активированная поверхность, обладающая высокой реакционной способностью в результате воздействия интенсивного ультразвука.

Полученные наночастицы и их агломераты могут быть также использованы в качестве функциональных материалов, наполнителей, компонентов композиционных материалов.

1. Bulychev N.A. Plasma discharge with surround glow in the liquid phase under the impact of ultrasound / Kazaryan M.A., Gridneva E.S., Murav’ev E.N., Solinov V.F., Koshelev K.K., Kosheleva O.K., Sachkov V.I. Chen S.G. // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2012 – Vol. 39– No. 7 – pp. 214–220.

2. Klassen N. Laser and electric arc synthesis of nanocrystalline scintillators / Krivko O., Kedrov V.V., Shmurak S.Z., Kiselev A.P., Shmyt’ko I.M., Kudrenko E.A., Shekhtman A.A., Bazhenov A.V., Fursova T.N., Abramov V.O., Bulychev N.A., Kisterev E.V. // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2010 – Vol. 57 – No. 3 – pp. 1377– 1381.

3. Ishigami M. Plasma in liquids / Cumings J., Zettl A., Chen S. // Chem. Phys. Lett. – 2000 – Vol. 319 – p. 457.

4. Hsin Y.L. Nanoparticles obtained by plasma discharge / Hwang K.C., Chen F.R., Kai J.J. // Adv. Mater. – 2001 – Vol. 13 – p. 830.

5. Bulychev N.A. Hydrogen Production by LowTemperature Plasma Decomposition of Liquids / Kazaryan M.A., Averyushkin A.S., Chernov A.A., Gusev A.L. // International Journal of Hydrogen Energy – 2017– Vol. 42 – pp. 20934-20938.

6. Bulychev N.A. Plasma Discharge in Liquid Phase Media under Ultrasonic Cavitation as a Technique for Synthesizing Gaseous Hydrogen / Kazaryan M.A., Ethiraj A., Chaikov L.L. // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2018 – Vol. 45 – No. 9 – pp. 263–266.

7. Bulychev N.A. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 1. Method for producing particles / Kazaryan M.A., Chaikov L.L., Burkhanov I.S., Krasovskii V.I. // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2014 – Vol. 41 – No. 9 – pp. 264–268.

8. Burkhanov I.S. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 2. Sizes and stability. Dynamic light scattering study / Chaikov L.L., Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Krasovskii V.I. // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2014 – Vol. 41 – No. 10 – pp. 297304.

9. Ivanov A.V. Properties of metal oxide nanoparticles prepared by plasma discharge in water with ultrasonic cavitation / Nikiforov V.N., Shevchenko S.V., Timoshenko V.Yu., Pryadun V.V., Bulychev N.A., Bychenko A.B., Kazaryan M.A. // Int. J. Nanotechnol. – 2017 – Vol. 14 – Nos. 7/8 – pp. 618–626.

10. Bulychev N.A. Peculiarities of Metal Oxide Nanoparticles Obtained in Acoustoplasma Discharge / Kazaryan M.A., Nikoforov V.N., Shevchenko S.N., Yakunin V.G., Timoshenko V.Yu., Bychenko A.B., Sredin V.G. // J. Tech. Phys. Lett. – 2016 – Vol. 42 – I. 9 – pp. 105-110.

11. Formalev V.F. Heat transfer with absorption in anisotropic thermal Protection of high-temperature products / Kolesnik S.A., Garibyan B.A. // Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences – 2019 – Vol. 86 – I. 5 – pp. 35-49.

12. Formalev V.F. Mathematical modeling of heat transfer in anisotropic plate with internal sinks / Kolesnik S.A., Garibyan B.A. // Computational Mechanics and Modern Applied Software Systems (CMMASS’2019) AIP Conf. Proc. – 2019 – Vol. 2181 – article 020003.

13. Formalev V.F. On Thermal Solitons during Wave Heat Transfer in Restricted Areas / Kolesnik S.A. // High Temperature – 2019 – Vol. 57 – I. 4 – pp. 498502.

14. Formalev V.F. Heat Transfer in a Half-Space with Transversal Anisotropy Under the Action of a Lumped Heat Source / Kolesnik S.A. // Journal of Engineering Physics and Thermophysics – 2019 – Vol. 92 – I. 1 – pp. 52-59.

15. Formalev V.F. Simulation of Nonequilibrium Heat Transfer in an Anisotropic Semispace Under the Action of a Point Heat Source / Kartashov É.M., Kolesnik S.A. // Journal of Engineering Physics and Thermophysics – 2019 – Vol. 92 – I. 6 – pp. 1537-1547.

16. Panasyuk G.P. Hydrargillite boehmite transformation / Belan V.N., Voroshilov I.L., Kozerozhets I.V. // Inorganic materials – 2010 – Vol. 46 – No. 7 – pp. 747-753.

17. Panasyuk G.P., Effect of pre-heat treatment and cobalt doping of hydrargillite on the kinetics of the hydrargillite-corundum transformation in supercritical water fluid / Luchkov I.V., Kozerozhets I.V., Shabalin D.G., Belan V.N. // Inorganic materials – 2013 – Vol. 49– No. 9 – pp. 899-903.

18. Panasyuk G.P. The thermodynamic properties and role of water contained in dispersed oxides in precursor-boehmite conversion, based on the example of aluminum hydroxide and oxide under hydrothermal conditions in different environments / Kozerozhets I.V., Voroshilov I.L., Belan V.N., Semenov E.A., Luchkov I.V. // Russian journal of physical chemistry A – 2015 –Vol. 89 – No. 4 – pp. 592-597.

19. Panasyuk G.P. A new method of synthesis of nanosized boehmite (AlOOH) powders with a low impurity content / Semenov E.A., Kozerozhets I.V., Azarova L.A., Belan V.N., Danchevskaya M.N., Nikifirova G.E., Voroshilov I.L., Pershikov S.A. // Doklady Chemistry – 2018 – Vol. 483 – pp. 272–274.

20. Kozerozhets I.V. New approach to prepare thehighly pure ceramic precursor for the sapphire synthesis / Panasyuk G.P., Semenov E.A., Avdeeva V.V., Ivakin Yu.D., Danchevskaya M.N. // Ceramics International – 2020 – Vol. 46 – I. 18 – pp. 28961-28968.

21. Kozerozhets I.V. How Acid Medium Affects the Hydrothermal Synthesis of Boehmite / Panasyuk G.P., Semenov E.A., Vasil’ev M.G., Ivakin Yu.D., Danchevskaya M.N. // Russian Journal of Inorganic Chemistry – 2020 – Vol. 65 – No. 10 – pp. 1529–1534.

22. Panasyuk G.P. Methods for High-Purity Aluminum Oxide Production for Growth of Leucosapphire Crystals (Review) / Azarova L.A., Belan V.N., Semenov E.A., Danchevskaya M.N., Voroshilov I.L., Kozerozhets I.V., Pershikov S.A., Kharatyan S.Yu. // Theoretical foundations of chemical engineering – 2019 – Vol. 53 – No. 4 – pp. 596-601.

23. Panasyuk G.P. A new method for producing nanosized γ-Al2O3 powder / Kozerozhets I.V., Semenov E.A., Azarova L.A., Belan V.N., Danchevskaya M.N. // Russian journal of inorganic chemistry – 2018 – Vol. 63 – No. 10 – pp. 1303-1308.