🗊Презентация Интеркалируемые нанокомпозиты и технология их синтеза пропиткой

ИНТЕРКАЛИРУЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ и технология их синтеза пропиткой

ИНТЕРКАЛИРУЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ Интеркалируемые матрично-пористые нанокомпозиты создают для улучшения свойств или генерирования новых свойств (магнитность, каталитическая активность, сенсорность, фотолюминисцентность) пористых матриц. Классическими примерами пористых матриц для интеркалируемых нанокомпозитов являются: неорганические нанопористые вещества (активированный уголь, опал, силикагель, алюмогель, цеолит); органические полисорбы (например, сополимер стирола и дивинилбензола); нанотрубки; нанопорошки.

ИНТЕРКАЛИРУЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ Свойства пористых матриц

ИНТЕРКАЛИРУЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ Свойства пористых матриц

ИНТЕРКАЛИРУЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ и технологии их синтеза

Технологии синтеза матрично-пористых нанокомпозитов пропиткой и заполнением пустот

1. Физико-химическая технология синтеза интеркалируемых нанокомпозитов пропиткой

ПРИМЕРЫ синтеза матрично-пористых нанокомпозитов пропиткой 1.1. Синтез интеркалируемого нанокомпозита: активированный уголь СКМ/Eu2O3. Активированный уголь пропитывали водным раствором нитрата европия, длительно выдерживали (для осуществления ионного обмена между ионно-обменными центрами активированного угля и ионами европия), с последующей сушкой и прокаливанием при 600° С в атмосфере гелия. В мезопорах СКМ обнаружены кластеры оксида европия размером 80 нм: 4Eu(NO3)3 → 2Eu2O3 + 12NO2 + 3O2. Синтезированный нанокомпозит может быть использован в качестве катализатора для получения непредельных одноатомных спиртов из предельных двухатомных или поглотителя нейтронов в реакторах (для защиты от излучения). Дополнительная пропитка наносистемы раствором FeCl3 (до отжига) уменьшает размер кластеров Eu2O3 до 20 нм (в мезопорах СКМ) и приводит к появлению кластеров Fe2O3 (в макропорах).

ПРИМЕРЫ синтеза матрично-пористых нанокомпозитов пропиткой 1.2. Синтез интеркалируемого нанокомпозита: активированный уголь медицинский / Fе3О4. Активированный уголь пропитывали водным раствором оксалата железа (0,5 г/л) с последующим прокаливанием при 300° С (для термического разложения соли), и затем – восстановлением в токе водорода при 600° С в течение 1 ч. В мезопорах угля обнаружены (после разложения оксалата железа) кластеры оксида железа размером около 7 нм и кластеры металлического железа размером 15 нм: 4FеС2O4 → Fe + Fе3О4 + 4СО + 4СО2. После восстановления в токе водорода размер кластеров в порах активированного угля увеличивался до 12 нм для оксида железа и 30 нм для металлического железа. Синтезированный нанокомпозит (на основе активированного угля с магнитными нанокластерами Fе3О4 + Fe в мезопорах) может быть использован в качестве эффективной среды (переносчика) при направленном транспорте лекарств. Так, если одновременно включить магнитные кластеры и лекарственные молекулы в поры такой наносистемы, то, воздействуя магнитным полем (с индукцией 0,1-1,0 Тл), можно добиться направленного транспорта лекарств.

ПРИМЕРЫ синтеза матрично-пористых нанокомпозитов пропиткой 1.3. Синтез интеркалируемого нанокомпозита: опал/ (РЗМ)2О3, где РЗМ = Nd, Eu, Sm, Gd, Tb, La, Ce, Sc, Y. Пористую опаловую матрицу (SiO2) пропитывали водным раствором нитрата РЗМ (Nd(NO3)3), а затем прокаливали в воздушной атмосфере при 900° С в течение 1 ч (для появления фотолюминесценции образующегося оксида РЗМ). Варьировали концентрацию раствора нитрата и количество процедур (пропитка + термообработка). Методом электронной микроскопии исследовали степень заполнения пор опаловой матрицы нерастворимым и жаростойким оксидом редкоземельного элемента (рис. 2). На первом этапе на поверхности наносфер SiO2 формируется тонкая пленка (толщиной до 10 нм) оксида. Далее оксид начинает постепенно заполнять межсферическое пространство опаловой матрицы в виде кластеров. Рис. 2. РЭМ-изображения опаловых матриц при малой (а) и большой (б) степени заполнения межсферических пор оксидом РЗМ Синтезированный нанокомпозит может быть использован в качестве поглотителя газов или катализатора – для крекинга нефти.

ПРИМЕРЫ синтеза матрично-пористых нанокомпозитов пропиткой 1.4. Синтез интеркалируемого нанокомпозита: органический полисорб/ Fе(ОН)3. Полисорб (оганический сорбент сополимера стирола и дивинилбензола) пропитывали водным раствором хлорного железа, затем через слой сорбента пропускали поток воздуха с содержанием аммиака 10-2–10-3 % (для изменения рН). Методом мессбауэровской спектроскопии установлено коллективное образование на стенках нанопор полисорба нерастворимых кластеров Fе(ОН)3 размером 3 нм: FeCI3 + 3NH3 + 3Н2О = Fe(OH)3 + 3NH4Cl. Показано, что размер кластеров Fе(ОН)3 определяется размером пор в органической матрице и исходной концентрацией ионов Fe3+ в растворе. Синтезированный нанокомпозит может быть использован для эффективной очистки газов от сероводорода.

2. Физико-химическая технология синтеза интеркалируемых нанокомпозитов заполнением пустот в нанопорошках Технология основана на заполнении пустот в нанопорошке тугоплавкого соединения (например, оксидной керамики) материалом, образующимся в результате химического взаимодействия металлического расплава (перегретого выше температуры плавления металла на 500–700 оС) с газообразным окислителем. В качестве исходных металлов могут быть использованы легкоплавкие - Sn, Pb, Zn, Al, Ti; а в качестве газообразных компонентов - O2, N2, CO2, NH3, H2. Тогда продуктом реакции между расплавом металла и газом в ходе реакционной пропитки могут стать кристаллы различных соединений (например, оксидов, карбидов, нитридов - Al2O3; TiC; Sn3N4), играющих роль наполнителя в матрице нанопорошка тугоплавкого соединения. Основным условием, обеспечивающим процесс синтеза, является проницаемость порового пространства матрицы (нанопорошка) для наполнителя (или его компонентов – расплава металла и окислителя) в сжиженном состоянии (низкое поверхностное натяжение – менее 200 мН·м-1 ). Данная технология является разновидностью технологии направленной реакционной пропитки (НРП или Lanxide process), разработанной для синтеза композитов, и связанной с самопроизвольной миграцией металлического расплава (перегретого выше температуры плавления металла), по направлению к воздействующему на него газообразному окислителю.

Технология синтеза интеркалируемых нанокомпозитов заполнением пустот в нанопорошках Иллюстрация метода направленной реакционной пропитки (рис. 3)

3. Электрохимическая технология синтеза интеркалируемых нанокомпозитов конверсией поверхности нанотрубок Технология основана на электрохимическом преобразовании поверхностного состава оксидных нанотрубок материалом, образующимся в результате катодной или анодной поляризации нанотрубок в неводном электролите. В качестве прекурсора используют неводные растворы солей щелочного металла (обычно перхлораты – при катодной поляризации и фториды – при анодной ). В качестве растворителей соли используют безводные пропиленкарбонат, ацетонитрил, диметилсульфоксид, формамид. Технология нашла широкое применение для электрохимической конверсии поверхности нанотрубок (нанопор) предварительно оксидированного металла с переменной степенью окисления (Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, V, Pb, Bi, Sb и др). В результате катодной конверсии: катион щелочного металла из неводного электролита (Li+) внедряется в решетку восстанавливаемого оксида (с образованием бронзы щелочного металла, например титаната лития). В результате анодной конверсии: анион соли (F–) интеркалирует в решетку окисляемого оксида (с образованием, например оксифторида марганца).

Электрохимическая технология синтеза интеркалируемых нанокомпозитов конверсией поверхности нанотрубок