Отправить статью по E-mail Моделирование образования наночастиц углерода при быстром охлаждении углеродного газа
- Авторы: Губин С.А.1,2, Кудинов А.В.1, Маклашова И.В.1, Богданова Ю.А.1
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
- Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
- Выпуск: Том 15, № 1 (2022)
- Страницы: 3-10
- Раздел: Статьи
- URL: https://bakhtiniada.ru/2305-9117/article/view/288287
- DOI: https://doi.org/10.30826/CE22150101
- ID: 288287
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Аннотация
На основе квазиравновесного термодинамического и молекулярно-динамического (МД) моделирования рассчитан процесс образования наночастиц углерода при быстром охлаждении углеродного газа, нагретого до высокой температуры при постоянной плотности, за счет конденсации из газовой фазы в конденсированную наноуглеродную фазу. Для этого в термодинамическом расчете учтена повышенная энтальпия образования для наночастиц углерода. По результатам МД расчета рекомендованы три параметризации реакционно-силовых полей (ReaxFF-CHO, ReaxFF-c2013 и ReaxFF-PAH) для МД моделирования образования наноуглеродных частиц.
Полный текст
Об авторах
Сергей Александрович Губин
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: gubin_sa@mail.ru
доктор физико-математических наук, профессор кафедры № 4, главный научный сотрудник
Россия, 115409, Москва; 119991, МоскваАндрей Владимирович Кудинов
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Email: swen379@gmail.com
аспирант кафедры № 4 «Химическая физика»
Россия, 115409, МоскваИрина Владимировна Маклашова
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Email: ivmaklashova@mephi.ru
старший преподаватель кафедры № 4 «Химическая физика»
Россия, 115409, МоскваЮлия Андреевна Богданова
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Email: bogdanova.youlia@bk.ru
кандидат физико-математических наук, старший преподаватель
Россия, 115409, МоскваСписок литературы
- Howard J. B., McKinnon J.,T., Makarovsky Y., Lafleur A. L., Johnson M. E. Fullerenes C60 and C70 in flames // Nature, 1991. Vol. 352. No. 6331. P. 139–141. doi: 10.1038/352139a0.
- Chen X., Deng F., Wang J., Yang H., Wu G., Zhang X., Peng J., Li W. New method of carbon onion growth by radio-frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition // Chem. Phys. Lett., 2001. Vol. 336. No. 3-4. P. 201–204. doi: 10.1016/S0009-2614(01)00085-9.
- Niwase K., Homae T., Nakamura K., Kondo K. Generation of giant carbon hollow spheres from C60 fullerene by shock-compression // Chem. Phys. Lett., 2002. Vol. 362. No. 1. P. 47–50. doi: 10.1016/S0009-2614(02)00997-1.
- Kang J., Li J., Du X., Shi C., Zhao N., Nash P. Synthesis of carbon nanotubes and carbon onions by CVD using a Ni/Y catalyst supported on copper // Mat. Sci. Eng. A — Struct., 2008. Vol. 475. No. 1-2. P. 136–140. doi: 10.1016/j.msea.2007.04.027.
- Бгашева Т. В., Вервикишко П. С., Фролов А. М., Шейндлин М. А. Кристаллизация углерода из пара при давлениях до 0,6 ГПа // Труды Конференции-конкурса молодых физиков, 2016. Т. 22. № 15. С. 88–90.
- Zheng G., Irle S., Morokuma K. Performance of the DFTB method in comparison to DFT and semiempirical methods for geometries and energies of C20–C86 fullerene isomers // Chem. Phys. Lett., 2005. Vol. 412. No. 1-3. P. 210–216. doi: 10.1016/j.cplett.2005.06.105.
- Qian H.-J., van Duin A. C., Morokuma K., Irle S. 2011. Reactive molecular dynamics simulation of fullerene combustion synthesis: ReaxFF vs DFTB potentials // J. Chem. Theory Comput., 2011. Vol. 7. No. 7. P. 2040–2048. doi: 10.1021/ct200197v.
- Dozhdikov V., Basharin A. Y., Levashov P., Minakov D. Atomistic simulations of the equation of state and hybridization of liquid carbon at a temperature of 6000 K in the pressure range of 1–25 GPa // J. Chem. Phys., 2017. Vol. 147. No. 21. P. 214302. doi: 10.1063/1.4999070.
- Van Duin A. C. T., Dasgupta S., Lorant F., Goddard W. A. ReaxFF: A reactive force field for hydrocarbons // J. Phys. Chem. A, 2001. Vol. 105. No. 41. P. 9396–9409. doi: 10.1021/jp004368u.
- Galiullina G., Orekhov N., Stegailov V. Nucleation of carbon nanostructures: Molecular dynamics with reactive potentials // J. Phys. Conf. Ser., 2016. Vol. 774. No. 1. P. 012033. doi: 10.1088/1742-6596/774/1/012033.
- Chenoweth K., van Duin A. C. T , Goddard W. A. ReaxFF reactive force field for molecular dynamics simulations of hydrocarbon oxidation // J. Phys. Chem. A, 2008. Vol. 112. No. 5. P. 1040–1053. doi: 10.1021/jp709896w.
- Mueller J. E., van Duin A. C., Goddard W. A., III. Development and validation of ReaxFF reactive force field for hydrocarbon chemistry catalyzed by nickel // J. Phys. Chem. C, 2010. Vol. 114. No. 11. P. 4939–4949. doi: 10.1021/jp9035056.
- Ashraf C., van Duin A. C. Extension of the ReaxFF combustion force field toward syngas combustion and initial oxidation kinetics // J. Phys. Chem. A, 2017. Vol. 121. No. 5. P. 1051–1068. doi: 10.1021/acs.jpca.6b12429.
- Mao Q., Ren Y., Luo K. H., van Duin A. C. T. Dynamics and kinetics of reversible homo-molecular dimerization of polycyclic aromatic hydrocarbons // J. Chem. Phys., 2017. Vol. 147. P. 244305. doi: 10.1063/1.5000534.
- Victorov S. B., El-Rabii H., Gubin S. A., Maklashova I. V., Bogdanova Y. A. An accurate equation-of-state model for thermodynamic calculations of chemically reactive carbon-containing systems // J. Energ. Mater., 2010. Vol. 28. P. 35–49. doi: 10.1080/07370652.2010.491496.
- Viecelli J. A., Bastea S., Glosli J. N., Ree F. H. Phase transformations of nanometer size carbon particles in shocked hydrocarbons and explosives // J. Chem. Phys., 2001. Vol. 115. No. 6. P. 2730–2737. doi: 10.1063/1.1386418.
- Губин С. А., Джелилова Е. И., Маклашова И. В. Влияние формы и размера наночастиц на фазовую диаграмму углерода // Горение и взрыв, 2014. Т. 7. C. 226–229.
- Von Helden G., Gotts N. G., Bowers M. T. Experimental evidence for the formation of fullerenes by collisional heating of carbon rings in the gas phase // Nature, 1993. Vol. 363. No. 6424. P. 60–63. doi: 10.1038/363060a0.
- Liu L., Liu Y., Zybin S. V., Sun H., and Goddard W. A., III. ReaxFF-lg: Correction of the ReaxFF reactive force field for London dispersion, with applications to the equations of state for energetic materials // J. Phys. Chem. A, 2011. Vol. 115. P. 11016–11022. doi: 10.1021/jp201599t.
- Srinivasan S. G., van Duin A. C. T., Ganesh P. Development of a ReaxFF potential for carbon condensed phases and its application to the thermal fragmentation of a large fullerene // J. Phys. Chem., 2015. Vol. 119. P. 571–580. doi: 10.1021/jp510274e.
- LAMMPS — a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. https://www.lammps.org/.
- Ostroumova G., Orekhov N., Stegailov V. 2019. Reactive molecular-dynamics study of onion-like carbon nanoparticle formation // Diam. Relat. Mater., 2019. Vol. 94. P. 14–20. doi: 10.1016/j.diamond.2019.01.019.
- Yasuoka K., Matsumoto M. Molecular dynamics of homogeneous nucleation in the vapor phase. I. Lennard–Jones fluid // J. Chem. Phys., 1998. Vol. 109. No. 19. P. 8451–8462. doi: 10.1063/1.477509.
- Bundy F. P. Pressure–temperature phase diagram of elemental carbon // Physica A, 1989. Vol. 156. Iss. 1. P. 169–178. doi: 10.1016/0378-4371(89)90115-5.
Дополнительные файлы
Доп. файлы
Действие
1.
JATS XML
2.
Рис. 1 Результат термодинамического расчета охлаждения газообразного углерода для плотности 0,05 кг/м3
Скачать (70KB)
3.
Рис. 2 Процесс последовательного образования углеродной наноструктуры при ρ = 0,05 кг/м3: (а) τ = 0 нс; (б) 0,60; (в) 0,65; (г) 0,70; (д) 0,80; (е) 0,85; (ж) 0,98; (з) 1,06; (и) τ = 2,50 нс
Скачать (1MB)
