Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Carbono filamentoso

El carbono filamentoso es una estructura de depósito que contiene carbono y se refiere a varios alótropos del carbono , incluidos los nanotubos de carbono , las nanofibras de ca...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El carbono filamentoso es una estructura de depósito que contiene carbono y se refiere a varios alótropos del carbono , incluidos los nanotubos de carbono , las nanofibras de carbono y las microbobinas . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Se forma a partir de compuestos de carbono gaseosos . [ 1 ] Todas las estructuras de carbono filamentoso contienen partículas metálicas. Estas son hierro , cobalto o níquel o sus aleaciones. Los depósitos de este también interrumpen significativamente la metanación del gas de síntesis . [ 4 ] El acetileno está involucrado en varios métodos de producción de carbono filamentoso. Las estructuras de carbono filamentoso son mesoporosas y de dimensión micrométrica. La mayoría de las reacciones que forman las estructuras tienen lugar a o por encima de 280 °C (536 °F) .  

Las aplicaciones del carbono filamentoso incluyen la limpieza de derrames de petróleo crudo y la creación de materiales compuestos resistentes y ligeros. El carbono filamentoso también presenta propiedades termodinámicas significativamente diferentes a las del grafito , otra forma de carbono. Sin embargo, el carbono filamentoso está compuesto parcialmente por láminas de grafito.

Propiedades

Las estructuras de carbono filamentoso suelen tener un diámetro de entre 10 y 500 nanómetros. Suelen tener una longitud de 10 000 nanómetros (10 micrómetros). Presentan una estructura dúplex. La superficie exterior de las estructuras es difícil de oxidar , mientras que el núcleo se oxida con mayor facilidad. Generalmente, una partícula metálica se ubica en el extremo de crecimiento de la estructura, aunque a veces se encuentra en el centro. Asimismo, en ocasiones, puede crecer más de un filamento a partir de una misma partícula metálica. El carbono filamentoso puede ser helicoidal , recto o retorcido . [ 1 ] Contiene capas de grafito con forma cónica . [ 2 ] Los planos de grafito situados cerca de la interfaz entre el átomo de carbono y el de níquel en el filamento son paralelos a dicha interfaz. Los filamentos también pueden ser huecos. [ 5 ]

El carbono filamentoso tiene propiedades termodinámicas diferentes a las del grafito . Esto se debe en parte a que la estructura del carbono filamentoso es más desordenada que la del grafito. Otras teorías sobre la diferencia de propiedades sugieren que la desviación se basa en la formación de una fase intermedia de carburos . Esta teoría fue propuesta por De Bokx et al. y Manning et al. Sin embargo, es improbable si el átomo metálico central es níquel, ya que en ese caso, dado que los carburos se descomponen a 350 °C (662 °F) , no se observó la formación de carburos durante dicha reacción. [ 2 ]  

Una diferencia entre las solubilidades del metal y del carbono filamentoso también permite que se produzca la difusión del carbono . [ 2 ] Cuando el alótropo participa en una reacción de gasificación por debajo de 600 °C (1112 °F) , la energía de activación de la reacción es de aproximadamente 178 kilojulios por mol . [ 4 ]  

El carbono filamentoso es mesoporoso y tiene propiedades texturales inusuales . [ 6 ] También tiene propiedades paramagnéticas . [ 7 ] Además, tiene un alto nivel de resistencia mecánica . [ 8 ]

Las partículas de níquel ubicadas en el carbono filamentoso que crece en metano e hidrógeno gaseoso entre 490 °C (914 °F) y 590 °C (1094 °F) tienden a tener forma de pera en el extremo superior del rango de temperatura. A temperaturas más altas, la partícula metálica se deforma. La longitud de la estructura cónica de los filamentos también aumenta con la temperatura. Cuando un catalizador de cobre y sílice se expone a metano e hidrógeno a 927 °C (1701 °F) , se forman estructuras de carbono filamentosas largas y huecas, que también contienen gotas de metal. [ 9 ]      

Propiedades biológicas

Cuando la enzima glucoamilasa se sitúa sobre una superficie cerámica recubierta de carbono filamentoso, la estabilidad de la enzima aumenta drásticamente. [ 10 ]

Aparición

El carbono filamentoso se forma típicamente en metales, incluyendo hierro , cobalto y níquel . [ 1 ] El hidrógeno también es necesario para la formación de carbono filamentoso. [ 9 ] Sin embargo, también se forma en aleaciones de estos metales. [ 6 ] El hierro es un mejor material para la formación de carbono filamentoso que el níquel. [ 8 ] Por ejemplo, en presencia de metanol , a una presión de 7 kilopascales y una temperatura de 500 °C (932 °F) , el carbono filamentoso crece en hierro, pero no en níquel. [ 8 ] La formación del material en esos metales ocurre típicamente a temperaturas entre 327 °C (621 °F) y 1027 °C (1881 °F) . [ 1 ] También se forma cuando se usa cromo como catalizador para descomponer acetileno . [ 11 ] El carbono filamentoso es también uno de los hasta siete alótropos del carbono que se forman durante la formación de coque en los tubos del reactor y los catalizadores. Este alótropo tiene la capacidad de destruir las estructuras de soporte del catalizador, bloqueando así los reactores. También se forma durante el reformado de corriente , junto con otras variedades de carbono. [ 2 ]      

Síntesis

El carbono filamentoso también puede sintetizarse mediante el craqueo del metano . El producto se gasifica posteriormente con hidrógeno . En el experimento que descubrió esto, se utilizó una partícula de níquel como partícula metálica para el filamento. El filamento precipita en el lado de soporte de la partícula de níquel. [ 2 ]

El carbono filamentoso también puede formarse cuando el acetileno se descompone sobre películas de paladio y dióxido de silicio . Sin embargo, no se forma carbono filamentoso sobre las películas de paladio y dióxido de silicio si se precalientan con hidrógeno a temperaturas de 597 °C (1107 °F) . Esto se debe a que, en esas condiciones, el paladio y el dióxido de silicio reaccionan para formar siliciuro de paladio . El hierro y el dióxido de silicio, en conjunto, también actúan como catalizadores para la formación de las estructuras. En ocasiones, se forma silicato de hierro durante esta reacción. [ 12 ]  

Otro experimento demostró que se puede formar carbono filamentoso cuando el monóxido de carbono se desproporciona sobre óxido cobaltoso . En el experimento, se hizo pasar una mezcla de gas carburante caliente sobre óxido cobaltoso en polvo. El carbono filamentoso es el principal depósito que se forma a partir de esta reacción cuando se lleva a cabo a 600 °C (1112 °F) . [ 4 ]  

Cuando el clorobenceno se hidrodesclora sobre níquel y sílice, se forman estructuras altamente ordenadas de carbono filamentoso. En presencia de potasio y bromo , esta reacción puede ocurrir a temperaturas tan bajas como 280 °C (536 °F) . Esto se debe a que el potasio y el bromo ayudan a reestructurar los sitios activos , provocando así la quimisorción destructiva del reactivo y la formación de un precipitado de carbono. La adición de hidróxido de potasio a la mezcla de níquel y sílice en la reacción apenas modificó el rendimiento. Sin embargo, la adición de bromuro de potasio aumentó significativamente el rendimiento. [ 13 ] Otros bromuros de metales alcalinos también permiten que se produzca la reacción y la formación de carbono filamentoso. Entre estos bromuros de metales alcalinos se encuentra el bromuro de cesio . [ 14 ]  

El carbono filamentoso también puede sintetizarse mediante la descomposición de carburo de cromo a presiones de 100 a 200 megapascales y temperaturas de 350 °C (662 °F) a 800 °C (1470 °F) . [ 15 ] Asimismo, se ha formado con un catalizador de fosfato de cobalto y aluminio a presiones de 2 megapascales y temperaturas de 220 °C (428 °F) a 240 °C (464 °F) . La presencia de rutenio en esta reacción disminuye el rendimiento del carbono filamentoso. [ 16 ]        

Aplicaciones

El carbono filamentoso se ha utilizado para limpiar derrames de petróleo . Esto funciona mediante la unión de los filamentos al petróleo crudo . [ 17 ] También se utiliza en materiales compuestos ligeros que deben tener resistencia a altas temperaturas. [ 18 ]

Historia

El carbono filamentoso se conoce desde al menos 1890, cuando P. y L. Schützenberger lo observaron al pasar cianógeno sobre porcelana al rojo vivo . [ 19 ] En la década de 1950, se descubrió que los filamentos podían producirse por reacciones de gases como los hidrocarburos con metales como el hierro, el cobalto y el níquel. Las primeras micrografías electrónicas de versiones tubulares de los filamentos aparecieron en 1952. [ 19 ] Entre las décadas de 1970 y 1990, el carbono filamentoso fue objeto de numerosos estudios. Estos estudios incluyeron investigaciones sobre las propiedades termodinámicas de la formación del alótropo. [ 2 ] El estudio más significativo que tuvo lugar durante ese período fue realizado por Terry Baker en la década de 1970 y se centró en evitar que el carbono filamentoso creciera dentro de las tuberías de refrigeración de los reactores nucleares . [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 "Carbono filamentoso". Compendio de terminología química de la IUPAC . 2009. doi : 10.1351/goldbook.F02362 . ISBN 978-0-9678550-9-7.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 Snoeck, J.-W.; Froment, GF; Fowles, M. (1997). "Formación y gasificación de carbono filamentoso: termodinámica, fuerza impulsora, nucleación y crecimiento en estado estacionario". Journal of Catalysis . 169 (1): 240– 9. doi : 10.1006/jcat.1997.1634 .
  3. ↑ Thornton, Matthew James (2005). Deposición catalítica de carbono sobre soportes de fibra de carbono tridimensionales (tesis doctoral). Universidad de Nottingham. Archivado del original el 2 de mayo de 2012. Consultado el 3 de septiembre de 2013 .
  4. 1 2 3 Starkovich, JA; Lim, Wei-Yue; Peng, H. (1984). Un modelo de reacción catalítica para la gasificación de carbono filamentoso (PDF) . Simposio sobre procesamiento catalítico de combustibles. págs. 89–94 . Archivado del original (PDF) el 28-04-2017 . Recuperado el 01-09-2013 . 
  5. ↑ Li, Xiaonian; Zhang, Yi; Smith, Kevin J. (2004). "Efectos de la interacción metal-soporte en el crecimiento de carbono filamentoso sobre catalizadores de Co/SiO 2 ". Applied Catalysis A: General . 264 (1): 81– 91. doi : 10.1016/j.apcata.2003.12.031 .
  6. ^ Reshetenko , TV; Avdeeva, LB; Ismagilov, ZR; Pushkarev, VV; Cherepanova, SV; Chuvilín, AL; Likholobov, VA (2003). "Carbón filamentoso catalítico" . Carbono . 41 (8): 1605– 15. doi : 10.1016/S0008-6223(03)00115-5 .
  7. ↑ Romanenko, Konstantin V.; d'Espinose De La Caillerie, Jean-Baptiste; Fraissard, Jacques; Reshetenko, Tatyana V.; Lapina, Olga B. (2005). " Investigación de RMN de 129 Xe de carbono filamentoso catalítico". Materiales microporosos y mesoporosos . 81 ( 1– 3): 41– 8. doi : 10.1016/j.micromeso.2005.01.016 .
  8. 1 2 3 Debokx, P. (1985). "La formación de carbono filamentoso en catalizadores de hierro y níquel I. Termodinámica". Journal of Catalysis . 96 (2): 454– 67. doi : 10.1016/0021-9517(85)90314-8 .
  9. 1 2 Alstrup, I.; Tavares, MT; Bernardo, CA; Sorensen, O.; Rostrup-Nielsen, JR (1998). "Formación de carbono en catalizadores de níquel y aleaciones de níquel-cobre". Materiales y Corrosión . 49 (5): 367– 72. doi : 10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5 < 367::AID-MACO367 > 3.0.CO ; 2-M . hdl : 1822/1533 .
  10. ↑ Kovalenko, GA; Kuvshinov, DG; Komova, OV; Simakov, AV; Rudina, NA (2004). "Carbones filamentosos catalíticos (CFC) y cerámicas recubiertas con CFC para la inmovilización de sustancias biológicamente activas" . En Guceri, Selcuk; Gogotsi, Yury G.; Kuznetsov, Vladimir (eds.). Materiales nanofibrosos nanoingenierizados . Dordrecht: Springer. pp. 265–270 . ISBN  978-1-4020-2549-5.
  11. ↑ Baker, R. (1973). "Formación de carbono filamentoso a partir de la descomposición de acetileno catalizada por hierro, cobalto y cromo". Journal of Catalysis . 30 (1): 86– 95. doi : 10.1016/0021-9517(73)90055-9 .
  12. ↑ Kępiński, L. (1989). "Formación de carbono filamentoso a partir de acetileno en películas de Pd/SiO2: Efecto de la reacción metal-soporte". Reaction Kinetics and Catalysis Letters . 38 (2): 363–7 . doi : 10.1007/BF02062132 . S2CID 100956295 . 
  13. ↑ Park, Colin; Keane, Mark A. (2001). "Crecimiento de carbono filamentoso en níquel/sílice: potasio y bromo como promotores de catalizadores". ChemPhysChem . 2 (12): 733– 41. doi : 10.1002/1439-7641(20011217)2:12 < 733::AID-CPHC733 > 3.0.CO ; 2-5 . PMID 23686923 . 
  14. ↑ Park, Colin; Keane, Mark A. (2002). "Crecimiento de carbono filamentoso desde la superficie de Ni/SiO2 dopado con bromuros de metales alcalinos". Journal of Colloid and Interface Science . 250 (1): 37– 48. Bibcode : 2002JCIS..250...37P . doi : 10.1006/jcis.2002.8298 . PMID 16290632 . 
  15. ↑ Basavalingu, B.; Madhusudan, P.; Dayananda, AS; Lal, K.; Byrappa, K.; Yoshimura, M. (2007). "Formación de carbono filamentoso mediante la disociación de carburo de cromo en condiciones hidrotermales". Journal of Materials Science . 43 (7): 2153– 7. Bibcode : 2008JMatS..43.2153B . doi : 10.1007/s10853-007-1927-9 . S2CID 136589375 . 
  16. ↑ Bae, Jong Wook; Kim, Seung-Moon; Park, Seon-Ju; Prasad, PS Sai; Lee, Yun-Jo; Jun, Ki-Won (2009). "Desactivación por formación de carbono filamentoso en fosfato de Co/aluminio durante la síntesis de Fischer-Tropsch". Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (6): 3228– 33. doi : 10.1021/ie801956t .
  17. ↑ "Partículas de carbono filamentosas para la limpieza de derrames de petróleo" . Consultado el 2 de septiembre de 2013 .
  18. ↑ Steinfeld, A.; Kirillov, V.; Kuvshinov, G.; Mogilnykh, Y.; Reller, A. (1997). "Producción de carbono filamentoso e hidrógeno mediante craqueo catalítico solar-térmico de metano". Chemical Engineering Science . 52 (20): 3599– 603. doi : 10.1016/S0009-2509(97)00166-8 .
  19. 1 2 3 Harris, Peter JF (2009). "Nanotubos de carbono producidos catalíticamente" . Ciencia de los nanotubos de carbono: síntesis, propiedades y aplicaciones . Cambridge: Cambridge University Press. págs. 6–7 . ISBN  978-0-521-82895-6.
  • Partículas de carbono filamentosas para la limpieza de derrames de petróleo y método de producción.