ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ УГЛЕРОДА ИЗ МЕТАНА В МИКРОВОЛНОВОМ РАЗРЯДЕ

В данной работе представлены результаты комплексного исследования углеродных материалов, синтезированных методом пиролиза метана в микроволновом разряде при атмосферном давлении. Основное внимание уделено влиянию мощности СВЧ-разряда на морфологические, фазовые и текстурные характеристики получаемого углерода. С помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) установлено, что увеличение мощности от 0,6 до 1,4 кВт приводит к уменьшению среднего размера частиц с ~20,2 до ~10,4 мкм и к формированию более дисперсной структуры. Рентгеноструктурный анализ (XRD) продемонстрировал переход углерода от аморфной турбостратной структуры к более упорядоченной графитоподобной фазе с увеличением температуры процесса. Методами низкотемпературной адсорбции азота (BET и BJH) показано, что углеродные материалы характеризуются мезопористой структурой, а максимальные значения удельной поверхности и объема пор (628 м²/г и 5,04 см³/г, соответственно) наблюдаются при минимальной мощности магнетрона. Полученные результаты указывают на ключевую роль мощности СВЧ-плазмы в управлении структурой и функциональными характеристиками углеродных материалов, что открывает перспективы их использования в катализе, сорбции и накоплении энергии.

1. IEA. Global Hydrogen Review 2024 / IEA. – Paris: IEA, 2024. – Режим доступа: https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024. – Загл. с экрана. – Licence: CC BY 4.0.

2. Стратегия достижения углеродной нейтральности Республики Казахстан до 2060 года. – Режим доступа: https://adilet.zan.kz/rus/docs/U2300000121. – Загл. с экрана.

3. IEA. Hydrogen / IEA. – Paris: IEA, 2023. – Режим доступа: https://www.iea.org/reports/hydrogen-2156. – Загл. с экрана. – Licence: CC BY 4.0.

4. Fincke, J. R., Anderson, R. P., Hyde, T. et al. Plasma thermal conversion of methane to acetylene // Plasma Chemistry and Plasma Processing. – 2002. – Vol. 22, No. 1. – P. 107–138. https://doi.org/10.1023/A:1012944615974

5. Sánchez-Bastardo, N., Schlögl, R., Ruland, H. Methane pyrolysis for zero-emission hydrogen production: a potential bridge // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2021. – Vol. 60, No. 32. – P. 11855–11881. – https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01679

6. Technology from fossil fuels to a renewable and sustainable hydrogen economy // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2021. – Vol. 60, No. 48. – P. 17795–17796. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c04435

7. Cheon, S., Byun, M., Lim, D., Lee, H., Lim, H. Parametric study for thermal and catalytic methane pyrolysis for hydrogen production: techno-economic and scenario analysis // Energies. – 2021. – Vol. 14, No. 19. – Article 6102. https://doi.org/10.3390/en14196102

8. Dagle, R., Dagle, V., Bearden, M., Holladay, J., Krause, T., Ahmed, S. R&D opportunities for development of natural gas conversion technologies for co-production of hydrogen and value-added solid carbon products: technical report PNNL-26726 / Pacific Northwest National Laboratory. – Richland, WA, 2017. – Режим доступа: https://www.pnnl.gov/main/publications/external/technical_reports/pnnl-26726.pdf. – Загл. с экрана.

9. Kim, M. H., Lee, E. K., Jun, J. H., Kong, S. J., Han, G. Y., Lee, B. K., Lee, T., Yoon, K. J. Hydrogen production by catalytic decomposition of methane over activated carbons: kinetic study // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – Vol. 29, No. 2. – P. 187–193. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(03)00111-3

10. Muradov, N. Hydrogen via methane decomposition: an application for decarbonization of fossil fuels // International Journal of Hydrogen Energy. – 2001. – Vol. 26, No. 11. – P. 1165–1175. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(01)00073-8

11. Lee, E. K., Lee, S. Y., Han, G. Y., Lee, B. K., Lee, T., Jun, J. H., Yoon, K. J. Catalytic decomposition of methane over carbon blacks for CO2-free hydrogen production // Carbon. – 2004. – Vol. 42, No. 13. – P. 2641–2648. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.06.003

12. Prabowo, J., Lai, L., Chivers, B., Burke, D., Dinh, A. H., Ye, L., Wang, Y., Wei, L., Chen, Y. Solid carbon coproducts from hydrogen production by methane pyrolysis: current understandings and recent progress // Carbon. – 2024. – Vol. 216. – Article 118507. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118507

13. Skakov, M., Miniyazov, A., Tulenbergenov, T., Sokolov, I., Zhanbolatova, G., Kaiyrbekova, A., Agatanova, A. Hydrogen production by methane pyrolysis in the microwave discharge plasma // AIMS Energy. – 2024. – Vol. 12, No. 3. – P. 548–560. https://doi.org/10.3934/energy.2024026

14. Skakov, M. K., Tulenbergenov, T. R., Sokolov, I. A., Miniyazov, A. Zh., Agatanova, A. A. Experimental study of methane conversion in a microwave discharge // NNC RK Bulletin. – 2024. – No. 3. – P. 123–128. – (In Russ.). https://doi.org/10.52676/1729-7885-2024-3-123-128

15. International Organization for Standardization. ISO 9277:2022. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption – BET method: 3rd ed. – Geneva : ISO, 2022.

16. International Organization for Standardization. ISO 15901-1:2016. Evaluation of pore size distribution and porosity of solid materials by mercury porosimetry and gas adsorption – Part 1: mercury porosimetry: 2nd ed. – Geneva : ISO, 2016.

17. Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. Intercalation compounds of graphite // Advances in Physics. – 2002. – Vol. 51, No. 1. – P. 1–186. https://doi.org/10.1080/00018730110113644

18. Dahn, J. R. Structure and electrochemistry of carbon electrodes for rechargeable lithium batteries // Science. – 1995. – Vol. 270, No. 5236. – P. 590–593.

19. Ferrari, A. C., Robertson, J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon // Physical Review B. – 2000. – Vol. 61, No. 20. – P. 14095–14107. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.14095.

20. Franklin, R. E. The structure of graphitic carbon // Acta Crystallographica. – 1951. – Vol. 4, No. 3. – P. 253–261. https://doi.org/10.1107/S0365110X51000842

21. Thommes, M., Kaneko, K., Neimark, A. V., Olivier, J. P., Rodriguez-Reinoso, F., Rouquerol, J., Sing, K. S. W. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. – 2015. – Vol. 87, No. 9–10. https://doi.org/10.1515/pac-20141117