WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Таратанов Николай Александрович ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ ЧАСТИЦ (Mo, Re, Pb, Fe, Cu, Au и Pd), СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ МАТРИЦАМИ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА Специальность 02.00.01 – Неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Научный консультант: кандидат химических наук, доцент Юрков Глеб Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Кузнецов Владимир Васильевич кандидат химических наук Иванов Владимир Константинович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Защита состоится «30» ноября 2009 г. в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 10.

Автореферат разослан «29» октября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Егорова Е.В.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение свойств систем, содержащих наноразмерные объекты (нанообъекты), интересно и важно с точки зрения, как фундаментальной науки, так и практического применения таких систем и объектов в ряде новых технологий. Нанообъекты занимают промежуточное положение между объемными материалами и атомами и проявляют новые физические и химические свойства, характерные только для такого состояния вещества.

Технология получения нанокомпозитов и изучение их свойств являются актуальной задачей и вызывают повышенный интерес исследователей к наноматериалам.

Необычные свойства нанообъектов обусловлены, во-первых, «квантоворазмерными» эффектами, проявляющимися благодаря сопоставимости размеров исследуемых объектов с длинами де-бройлевских волн электронов, фононов, экситонов и других. Вторая важная причина изменения физических и химических свойств малых частиц связана с значительным увеличением относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), нежели атомы внутри объемной фазы. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию роли поверхностной энергии.

Немаловажное значение в разработке методов создания наноматериалов играют наноразмерные дисперсные системы. Уникальные свойства наноразмерных дисперсных систем обусловлены особенностями входящих в них отдельных наночастиц, взаимодействием частиц с окружающей средой (матрицей), а также межчастичными взаимодействиями, способными приводить к коллективным эффектам. В настоящее время физические свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований. Особое место в этом ряду занимают магнитные характеристики наночастиц; здесь наиболее отчётливо выявлены различия между компактными магнитными материалами и соответствующими наночастицами и разработаны теоретические модели, способные объяснить многие из наблюдаемых эффектов.

Получение и исследование наноматериалов являются важным этапом в создании техники нового поколения. Необходимо отметить сложность получения стабильных с равномерной плотностью по всему объему нанокомпозитов.

Основная трудность заключается в явлении агрегации наночастиц, препятствовать которой можно различными методами. Помимо стабилизации наночастиц в объеме полимерных матриц, в настоящее время получила развитие стабилизация наночастиц на поверхности микроносителей, поскольку такие наночастицы остаются доступными для реагентов извне, сохраняя при этом основные физические характеристики наноразмерного состояния. Магнитные наночастицы, локализованные на поверхности микроносителей, можно использовать в качестве магнитных «наномаркеров» для исследований в области биологии и медицины, в качестве магнитоконтрастных агентов при проведении магнитно-резонансной томографии, для создания магнито-чувствительных материалов фотоники и спинтроники.

Актуальность и важность решения отмеченных выше проблем получения и исследования наночастиц и структур на их основе обусловили проведение данной работы по созданию композиционных наноматериалов на основе полиэтилена, политетрафторэтилена и металлсодержащих наночастиц.

Работа выполнена в рамках проектов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты № 07-03-00885, 07-08-00523-а, 07-07-12054-офи, 08-0890250_Узб).

Цель работы заключалась в синтезе наночастиц на основе d-металлов (Mo, Re, Fe, Cu, Au и Pd) стабилизированных полимерными матрицами (полиэтиленом высокого давления (ПЭВД) и политетрафторэтиленом (ПТФЭ)), а также исследование состава, дисперсности и электрофизических свойств полученных наноматериалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) провести исследование закономерностей разработанной методики синтеза металлсодержащих наночастиц d-металлов и сделать её пригодной для получения значительных количеств наноматериалов.

2) доказать, что в полученном композите действительно содержатся наночастицы, определить их размеры, состав и строение.

3) провести физико-химические исследования полученных металлсодержащих наноматериалов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана методика синтеза металлсодержащих наночастиц Mo, Re, Pb, Au, Pd и их оксидов в матрице ПЭВД и на поверхности микрогранул ПТФЭ;

2. Доказано, что варьируя условия экспериментов можно изменять, как размер получаемых наночастиц, так и их фазовый состав;

3. Получены серии композиционных материалов на основе Mo-, Re-, Pb-, Fe-, Cu-, Au- и Pd-содержащих наночастиц в матрице ПЭВД и на поверхности микрогранул ПТФЭ с различной концентрацией и размерами частиц.

4. Установлен размер, состав и изменения физических свойств материалов в зависимости от концентрации и химической природы наночастиц.

Практическая значимость данной работы состоит в получении новых наноматериалов на основе d-металлов в полимерной матрице ПЭВД и на поверхности микрогранул политетрафторэтилена. Определены основные технологические параметры процессов синтеза, влияющие на размер и состав образующихся наночастиц. Синтезированные новые наноматериалы могут найти разнообразное применение в современных областях науки и техники, поскольку, как это показано в настоящей работе, свойствами наночастиц и материалов на их основе можно успешно управлять посредством изменения химического состава, среднего размера частиц и их концентрации в матрице. В частности, нанометаллизированный ультрадисперсный политетрафторэтилен может использоваться в качестве эффективного смазочного материала, а также как катализатор ряда химических реакций.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1) Методика получения материалов на основе Mo-, Re-, Pb-, Fe-, Cu-, Au- и Pdсодержащих наночастиц в матрице ПЭВД и на поверхности микрогранул ПТФЭ при термическом разложении металлсодержащих соединений металлов.

2) Способ управления размером и фазовым составом наночастиц в матрице ПЭВД и на поверхности микрогранул ПТФЭ от условий проведения синтеза.

3) Результаты исследований электрофизических и магнитных свойств композитов на основе Mo-, Re-, Pb-, Fe-, Au-, Pd- и Cu-содержащих наночастиц, стабилизированных в матрице ПЭВД и на поверхности микрогранул ПТФЭ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно, или же совместно с соавторами опубликованных работ, кроме того, автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, расчетов, анализе полученных результатов и формулировке выводов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на: 27-ой международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (28мая – 1 июня, 2007, Ялта, Украина);

9th European Symposium of Polymer blends (9-12 September, 2007, Palermo, Italy);

13th International Conference on Polymeric Materials (2008, Halle/Saale, Germany);

17-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 10-14 сент. 2007 г.);

4-ой Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (СанктПетербург, 2-5 окт. 2007); XIV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 15-17 апреля 2008 г.); 1-ой Международной научной конференции «Наноструктурированные материалы – 2008» (Беларусь, Минск, 22-25 апр. 2008 г.); Международной конференции "Наноструктурные системы: технология-структура -свойства-применение (2008, Ужгород, Украина); 18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 8-12 сент. 2008 г.); I Международной Конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль, 29 сент.-3 окт. 2008 г.); Всероссийской Конференции по физической химии и нанотехнологиям «НИФХИ-90» (с международным участием), посвященной 90-летию Карповского института (г. Москва, 10-14 ноября 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит 171 страницу, состоит из введения, включающего обзор литературы, четырех глав, посвященных изложению и обсуждению экспериментальных методов и результатов исследования, полученных наноматериалов, заключения, а также включает 96 рисунков, 15 таблиц и списка цитируемой литературы, включающего 168 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика современного состояния исследований в области нанохимии и наноматериалов.

Первая глава имеет обзорный характер, в частности, в ней приводятся общие сведения о наночастицах, их основных свойствах и структуре. В главе рассмотрены основные методы получения наночастиц и материалов на их основе.

Особое внимание уделяется методам стабилизации наночастиц в различных средах, в частности, на поверхности и в объеме органических полимеров. Кроме того, в главе описываются основные физико-химические методы исследования состава, строения и свойств наночастиц.

Во второй главе охарактеризовано оборудование и материалы, использованные при проведении экспериментальной работы. Описана методика получения материалов на основе наночастиц металлов в объеме полимерной матрицы полиэтилена высокого давления (ПЭВД) и на поверхности микрогранул политетрафторэтилена (ПТФЭ).

Методом высокоскоростного термического разложения растворов металлсодержащих соединений в раствор–расплаве полимера в масле, получены образцы (в виде порошков) на основе наночастиц Mo, Re, Fe, Cu, Au, Pd и Pb и матриц ПЭВД и ПТФЭ. Метод основан на создании наночастиц без дополнительного подвода вещества из вне, что позволяет создавать наночастицы изолированные друг от друга и варьировать их размер. В качестве исходных металлсодержащих соединений были использованы: Fe(HCOO)3, Mo(CO)6, (NH4)2MoO4, Cu(CH3COO)2, HAuCl4, Pd(CH3COO)2, Re2(CO)10, NH4ReO4, Re4O6(OCH3)12, Pb(CH3COO)2. Все использованные в работе соединения соответствовали классам ч.д.а. и о.с.ч. Посредством термического прессования синтезированных порошков в изделия, созданы материалы различной формы.

Для исследования состава и строения полученных материалов использовался комплекс физико-химических методов: рентгеновский фазовый анализ (РФА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), спектроскопия тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения (EXAFS); кроме того, были исследованы при помощи стандартных методов электрофизические свойства (диэлектрическая проницаемость и электропроводность) полученных материалов.

Основную часть диссертационной работы составляют третья и четвертая главы. Третья глава посвящена обсуждению экспериментальных результатов исследования размера, состава и строения наночастиц, а также композиционных материалов, созданных на их основе.

Ниже продемонстрировано, как при использовании комплекса физических методов можно получить достаточно надёжную информацию о составе и строении наночастиц и нанокомпозитов на их основе.

Наночастицы, стабилизированные в объеме ПЭВД Согласно результатам РФА образцов на основе ренийсодержащих наночастиц и ПЭВД, в них присутствовали фазы Re, Re2O7 (основной сигнал), ReO3, ReO2. Средний размер частиц, определенный на основании изображений ПЭМ, составил 15 – 20 нм (рис.1.).

Рис. 1. Микрофотографии образцов, синтезированных: из перрената аммония (NH4ReO4) (а); из декакарбонил дирения (Re2(CO)10) (б); из оксометилата рения (Re4О6(OСН3)12) (в).

Средний размер наночастиц (Mo, Fe, Pb и Pd) стабилизированных матрицей ПЭВД составил 5.0 – 7.0 нм, для Cu-содержащих – 15.0 нм, а Au-содержащих – 7.0 и 50.0 нм.

Изучение ближайшего атомного окружения атомов металлов в синтезированных наноматериалах было осуществлено методом EXAFS спектроскопии. Как видно из рисунка 2, на Модуле Фурье-преобразования (МФП) образцов синтезированных из Re4О6(OСН3)12, Re2(CO)10, NH4ReO4 проявляется интенсивный пик при малых значениях r~1.4, отвечающий связям Re-O. При этом форма указанного пика асимметрична, что свидетельствует о наборе расстояний Re-O. Положение пика МФП образцов синтезированных из Re4О6(OСН3)12, Re2(CO)10, NH4ReO4 совпадает с положением соответствующего пика на МФП модельного соединения NH4ReO4, что указывает на присутствие в наночастицах коротких двойных связей Re=O, характерных для Re2O7 и NH4ReO4.

Рис. 2. Модули Фурье-преобразования нормированных (МФП) EXAFS k3 (k) Re Lш – края для образцов синтезированных из: 1-Re4О6(OСН3)12, 2-Re2(CO)10, 3NH4ReO4 и 4-модельного соединения NH4ReO4.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»