Том 337 № 3 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5269
Электродуговой синтез карбида титана с использованием в качестве сырья оксида титана
Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью разработки энергоэффективных и технологически простых методов синтеза ультратугоплавких материалов, таких как карбид титана (TiC), который востребован в аэрокосмической, металлургической и электротехнической промышленности. Традиционные методы получения TiC требуют высоких энергозатрат и сложного оборудования, что стимулирует поиск альтернативных подходов. Цель. Исследование возможности синтеза карбида титана безвакуумным электродуговым методом в открытой воздушной среде с использованием коммерчески доступного диоксида титана (TiO₂) и технического углерода (сажи П803). Методы. Синтез карбида титана был реализован безвакуумным электродуговым методом в плазмохимическом реакторе постоянного тока, далее порошковые продукты синтеза были исследованы методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, проведен анализ удельной поверхности и пористой структуры. Результаты и выводы. Показано, что предложенный метод позволяет синтезировать карбид титана с удельным расходом электроэнергии ~100 кВт·ч/кг, что в 4 раза энергоэффективнее, чем классические методы, использующие вакуумное оборудование. Основной фазой продукта является TiC с кубической решеткой (параметр 4,321±0,005 Å). Установлено влияние избытка/недостатка углерода в шихте на состав продукта: при стехиометрическом соотношении TiO₂:C образуется TiC с минимальным количеством примесей (графит, оксиды титана (рутил, анатаз)). Площадь удельной поверхности полученного порошка составила 4,418 м²/г с преобладанием нанопор (2–10 нм). Перспективным направлением дальнейших исследований является использование титановых руд в качестве сырья для масштабирования технологии безвакуумного электродугового синтеза.
Для цитирования: Электродуговой синтез карбида титана с использованием в качестве сырья оксида титана. А.А. Свинухова, А.Я. Пак, А.В. Власов, А.В. Сподина, Т.С. Шляхов. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 3, С. 120-127. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5269
Ключевые слова:
карбид титана, безвакуумный метод, электродуговой реактор, рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, метод Брунауэра–Эммета–Теллера, метод Баррета–Джойнера–Халенды
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Li F., Huang X., Zhang G. Preparation of ultra-high temperature ceramics–based materials by sol-gel routes. Recent Applications in Sol-Gel Synthesis. InTech. 2017. DOI: 10.5772/67783.
2. Pierson H.O. Carbides of Group IV. Handbook of Refractory Carbides and Nitrides, 1996, Vol. 0, P. 55–80.
3. Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments. Scripta Materialia, 2017, Vol. 129, P. 94–99.
4. Carbides of transition metals: properties, application and production. Review. Part 1. Titanium and vanadium carbides. Y.L. Krutskii, T.S. Gudyma, I.D. Kuchumova, R.R. Khabirov, K.A. Antropova. Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 2022, Vol. 65, № 5, P. 305–322.
5. Synthesis and properties of 2D-titanium carbide MXene sheets towards electrochemical energy storage applications. R. Syamsai, P. Kollu, S. Kwan Jeong, A. Nirmala Grace. Ceramics International, 2017, Vol. 43, № 16, P. 13119–13126.
6. Functionalized titanium carbide as novel catalyst support for Pd catalyzed electrochemical reaction. Q. Dong, M. Huang, C. Guo, G. Yu, M. Wu. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42, № 5, P. 3206–3214.
7. Харламов А.И. Каталитические свойства порошков тугоплавких соединений переходных элементов. Порошковая металлургия, 1983, Т. 2, С. 55–67.
8. CO2 hydrogenation on Au/TiC, Cu/TiC, and Ni/TiC catalysts: Production of CO, methanol, and methane. J.A. Rodriguez, J. Evans, L. Feria, A.B. Vidal, P. Liu, K. Nakamura, F. Illas. Journal of Catalysis, 2013, Vol. 307, P. 162–169.
9. Lin S.-Y., Zhang X. Two-dimensional titanium carbide electrode with large mass loading for supercapacitor. Journal of Power Sources, 2015, Vol. 294, P. 354–359.
10. Synthesis of titanium carbide nanoparticles by wire explosion process and its application in carbon dioxide adsorption. S. Ghosh, P. Ranjan, A. Kumaar, R. Sarathi, S. Ramaprabhu. Journal of Alloys and Compounds, 2019, Vol. 794, P. 645–653.
11. Combining theory and experiment for multitechnique characterization of activated CO 2 on transition metal carbide (001) surfaces. C. Kunkel, F. Viñ, P.J. Ramírez, J.A. Rodriguez, F. Illas. The Journal of Physical Chemistry, 2018, Vol. 123. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12227.
12. Study of formation behavior of TiC ceramic obtained by self-propagating high-temperature synthesis from Al-Ti-C elemental powders. M.S. Song, B. Huang, M.X. Zhang, J.G. Li. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2009, Vol. 27, № 3, P. 584–589.
13. Synthesis and field emission properties of titanium carbide nanowires. K. Huo, Y. Hu, Y. Ma, Y. Lü, Z. Hu, Y. Chen. Nanotechnology, 2007, Vol. 18, № 14, P 145615. DOI: 10.1088/0957-4484/18/14/145615.
14. Functionalized titanium carbide as novel catalyst support for Pd catalyzed electrochemical reaction. Q. Dong, M. Huang, C. Guo, G. Yu, M. Wu. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42, № 5, P. 3206–3214.
15. Sharifi F., Mahmoodi Z., Abbasi S.M., Najafi A., Khalaj G. Synthesis and characterization of mesoporous TiC nanopowder/nanowhisker with low residual carbon processed by sol-gel method. Journal of Materials Research and Technology, 2023, Vol. 22, P. 2462–2472.
16. N, K Co-activated biochar-derived molybdenum carbide as efficient electrocatalysts for hydrogen evolution. T. Guo, X. Zhang, T. Liu, Z. Wu, D. Wang. Applied Surface Science, 2020, Vol. 509, P. 144879.
17. Preparation of porous TiC/C ceramics using wooden template in molten salt media. J. Ding, C.J. Deng, W.J. Yuan, H.X. Zhu, J. Li. Advances in Applied Ceramics, 2013, Vol. 112, № 3, P. 131–135.
18. Saito Y., Matsumoto T., Nishikubo K. Encapsulation of TiC and HfC crystallites within graphite cages by arc discharge. Carbon, 1997, Vol. 35, № 12, P. 1757–1763.
19. Arora N., Sharma N.N. Arc discharge synthesis of carbon nanotubes: comprehensive review. Diamond and Related Materials, 2014, Vol. 50, P. 135–150.
20. Continuous and low-cost synthesis of high-quality multi-walled carbon nanotubes by arc discharge in air. J. Zhao, L. Wei, Z. Yang, Y. Zhang. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2012, Vol. 44, № 7, P. 1639–1643.
21. Vacuumless synthesis of tungsten carbide in a self-shielding atmospheric plasma of DC arc discharge. A.Y. Pak, I.I. Shanenkov, G.Y. Mamontov, A.I. Kokorina. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2020, Vol. 93, P. 105343.
22. Synthesis of transition metal carbides and high-entropy carbide TiZrNbHfTaC5 in self-shielding DC arc discharge plasma. A.Y. Pak, P.S. Grinchuk, A.A. Gumovskaya, Y.Z. Vassilyeva. Ceramics International, 2022, Vol. 48, № 3, P. 3818–3825.
23. Low-cost synthesis of single-walled carbon nanotubes by low-pressure air arc discharge. Y. Su, H. Wei, T. Li, H. Geng, Y. Zhang. Materials Research Bulletin, 2014, Vol. 50, P. 23–25.
24. Machine learning-driven synthesis of TiZrNbHfTaC5 high-entropy carbide. A.Y. Pak, V. Sotskov, A.A. Gumovskaya, Y.Z. Vassilyeva, Z.S. Bolatova, Y.A. Kvashnina, G.Y. Mamontov, A.V. Shapeev, A.G. Kvashnin. npj Computational Materials, 2023, Vol. 9, № 1, P. 7. DOI: 10.1038/s41524-022-00955-9.
25. Устройство для получения порошка карбида кремния: пат. № 2791977, Российская Федерация; заявл. 04.07.2022; опубл. 15.03.2023. 7 с.
26. ISO [International Organization for Standardization]. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption – BET method (ISO 9277:2010(E)). Reference number ISO, 2010, Vol. 9277, № 9277, P. 30. URL: https://www.iso.org (дата обращения 15.08.2025).
REFERENCES
1. Li F., Huang X., Zhang G. Preparation of ultra-high temperature ceramics–based materials by sol-gel routes. Recent Applications in Sol-Gel Synthesis. InTech, 2017. DOI: 10.5772/67783.
2. Pierson H.O. Carbides of Group IV. Handbook of Refractory Carbides and Nitrides, 1996, vol. 0, pp. 55–80. DOI: 10.1016/b978-081551392-6.50005-2.
3. Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments. Scripta Materialia, 2017, vol. 129, pp. 94–99. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.10.018
4. Krutskii Y.L., Gudyma T.S., Kuchumova I.D., Khabirov R.R., Antropova K.A. Carbides of transition metals: properties, application and production. Review. Part 1. Titanium and vanadium carbides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 2022, vol. 65, no. 5, pp. 305–322. DOI: 10.17073/0368-0797-2022-5-305-322.
5. Syamsai R., Kollu P., Kwan Jeong S., Nirmala Grace A. Synthesis and properties of 2D-titanium carbide MXene sheets towards electrochemical energy storage applications. Ceramics International, 2017, vol. 43, no. 16, pp. 13119–13126. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.07.003.
6. Dong Q., Huang M., Guo C., Yu G., Wu M. Functionalized titanium carbide as novel catalyst support for Pd catalyzed electrochemical reaction. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, no. 5, pp. 3206–3214. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.217
7. Kharlamov A.I. Catalytic properties of powders of refractory compounds of transition elements. Powder metallurgy, 1983, vol. 2, pp. 55–67.
8. Rodriguez J.A., Evans J., Feria L., Vidal A.B., Liu P., Nakamura K., Illas F. CO2 hydrogenation on Au/TiC, Cu/TiC, and Ni/TiC catalysts: Production of CO, methanol, and methane. Journal of Catalysis, 2013, vol. 307, pp. 162–169. DOI: 10.1016/j.jcat.2013.07.023
9. Lin S.-Y., Zhang X. Two-dimensional titanium carbide electrode with large mass loading for supercapacitor. Journal of Power Sources, 2015, vol. 294, pp. 354–359. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.06.082.
10. Ghosh S., Ranjan P., Kumaar A., Sarathi R., Ramaprabhu S. Synthesis of titanium carbide nanoparticles by wire explosion process and its application in carbon dioxide adsorption. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 794, pp. 645–653. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.04.299.
11. Kunkel C., Viñ F., Ramírez P.J., Rodriguez J.A., Illas F. Combining Theory and experiment for multitechnique characterization of activated CO 2 on transition metal carbide (001) surfaces. The Journal of Physical Chemistry, 2018, vol. 123. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12227.
12. Song M.S., Huang B., Zhang M.X., Li J.G. Study of formation behavior of TiC ceramic obtained by self-propagating high-temperature synthesis from Al-Ti-C elemental powders. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2009, vol. 27, no. 3, pp. 584–589. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.09.009.
13. Huo K., Hu Y., Ma Y., Lü Y., Hu Z., Chen Y. Synthesis and field emission properties of titanium carbide nanowires. Nanotechnology, 2007, vol. 18, no. 14, p. 145615. DOI: 10.1088/0957-4484/18/14/145615.
14. Dong Q., Huang M., Guo C., Yu G., Wu M. Functionalized titanium carbide as novel catalyst support for Pd catalyzed electrochemical reaction. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, no. 5, p. 3206–3214. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.217.
15. Sharifi F., Mahmoodi Z., Abbasi S.M., Najafi A., Khalaj G. Synthesis and characterization of mesoporous TiC nanopowder/nanowhisker with low residual carbon processed by sol-gel method. Journal of Materials Research and Technology, 2023, vol. 22, pp. 2462–2472. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.12.097.
16. Guo T., Zhang X., Liu T., Wu Z., Wang D. N, K Co-activated biochar-derived molybdenum carbide as efficient electrocatalysts for hydrogen evolution. Applied Surface Science, 2020, vol. 509, p. 144879. DOI: 10.1016/J.APSUSC.2019.144879.
17. Ding J., Deng C.J., Yuan W.J., Zhu H.X., Li J. Preparation of porous TiC/C ceramics using wooden template in molten salt media. Advances in Applied Ceramics, 2013, vol. 112, no. 3, pp. 131–135. DOI: 10.1179/1743676112Y.0000000052.
18. Saito Y., Matsumoto T., Nishikubo K. Encapsulation of TiC and HfC crystallites within graphite cages by arc discharge. Carbon, 1997, vol. 35, no. 12, pp. 1757–1763. DOI: 10.1016/S0008-6223(97)00135-8.
19. Arora N., Sharma N.N. Arc discharge synthesis of carbon nanotubes: comprehensive review. Diamond and Related Materials, 2014, vol. 50, pp. 135–150. DOI: 10.1016/j.diamond.2014.10.001.
20. Zhao J., Wei L., Yang Z., Zhang Y. Continuous and low-cost synthesis of high-quality multi-walled carbon nanotubes by arc discharge in air. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2012, vol. 44, no. 7, pp. 1639–1643. DOI: 10.1016/j.physe.2012.04.010.
21. Pak A.Y., Shanenkov I.I., Mamontov G.Y., Kokorina A.I. Vacuumless synthesis of tungsten carbide in a self-shielding atmospheric plasma of DC arc discharge. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2020, vol. 93, p. 105343. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2020.105343.
22. Pak A.Y., Grinchuk P.S., Gumovskaya A.A., Vassilyeva Y.Z. Synthesis of transition metal carbides and high-entropy carbide TiZrNbHfTaC5 in self-shielding DC arc discharge plasma. Ceramics International, 2022, vol. 48, no. 3, pp. 3818–3825. DOI: 10.1016/J.CERAMINT.2021.10.165.
23. Su Y., Wei H., Li T., Geng H., Zhang Y. Low-cost synthesis of single-walled carbon nanotubes by low-pressure air arc discharge. Materials Research Bulletin, 2014, vol. 50, pp. 23–25. DOI: 10.1016/j.materresbull.2013.10.013.
24. Pak A.Y., Sotskov V., Gumovskaya A.A., Vassilyeva Y.Z., Bolatova Z.S., Kvashnina Y.A., Mamontov G.Y., Shapeev A.V., Kvashnin A.G. Machine learning-driven synthesis of TiZrNbHfTaC5 high-entropy carbide. npj Computational Materials, 2023, vol. 9, no. 1, p. 7. DOI: 10.1038/s41524-022-00955-9.
25. Pak A.Ya., Mamontov G.Ya., Gubin V.E., Vasilyeva Yu.Z. A device for producing silicon carbide powder. Patent RF, no. 2791977, 2023. (In Russ.)
26. ISO [International Organization for Standardization]. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption– BET method (ISO 9277:2010(E)). Reference number ISO, 2010, vol. 9277, no. 9277, pp. 30. Available at: https://www.iso.org (accessed 15 August 2025).
