Введение. Экспериментальная часть

ВЛИЯНИЕ ИСХОДНОГО СОДЕРЖАНИЯ СОЛЕЙ МЕТАЛЛОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Fe-Co В ИК-ПИРОЛИЗОВАННОЙ МАТРИЦЕ ХИТОЗАНА

Аннотация

Методом одновременного формирования биметаллических наночастиц Fe-Co и их углеродного носителя на основе пиролизованного хитозана под действием ИК-излучения синтезированы металл-углеродные нанокомпозиты. Исследованы рентегноструктурные характеристики, морфология и дисперсность наночастиц Fe-Co в зависимости от содержания металлов в нанокомпозитах. Показано, что с увеличением исходного содержания солей металлов в прекурсоре формируются металлические наночастицы большего размера и более однородного состава твердого раствора Fe-Co. Подробный анализ рентгеновских линий фазы Fe-Co позволил разделить их на несколько фаз твердого раствора на основе ОЦК и ГЦК решеток.

Ключевые слова: металл-углеродный нанокомпозит, наночастицы Fe-Co, хитозан, ИК-излучение

Введение

В середине прошлого века накопленные знания и совершенствующие методы исследований позволили активно развивать области науки, связанные с наноразмерными частицами [1]. Переход к металлическим наночастицам позволил значительно улучшать функциональные характеристики многих материалов [2] или использовать их в медицине [3], охране окружающей среды [4], оптике [5], электронике [6], системах хранения энергии [7] и многих других. Преимущества металлических наночастиц перед массивными частицами обусловлены соотношением их поверхности к объему. Так, на поверхности наночастиц металлов могут проходить химические реакции, обеспечивающие превращение реагентов в желаемый продукт. Одной из самой динамично развивающейся и востребованной областью знаний является катализ [8,9]. Трудно назвать хоть одну область химической промышленности, не использующую катализаторы на основе металлов. В последнее время материалы на основе наночастиц переходных металлов активно исследуются в качестве катализаторов различных реакций, востребованных нефтехимической промышленностью [10,11]. Среди химических процессов для получения углеводородов особое место занимает синтез Фишера-Тропша, реакция получения топлива и других ценных углеводородов из монооксида углерода и водорода [12]. Традиционными металлами, показывающими высокую активность при доступной стоимости, являются железо и кобальт. Поэтому разработка методов формирования, исследование структуры и каталитических свойств материалов на основе наночастиц этих металлов является важной задачей.

Несмотря на множество параметров синтеза металлических наночастиц, способы их получения можно разделить на два способа: физический с помощью лазерной обработки поверхности металла и химический, включающий в себя несколько подвидов [13, 14]. Наиболее распространенным методом синтеза катализаторов на основе металлических наночастиц является нанесение уже сформированных наночастиц металла на приготовленный отдельно носитель, который необходим для стабилизации наночастиц и предотвращения их агломерации [15]. Однако, существуют способы получения катализаторов, которые объединяют стадии формирования металлических наночастиц и носителя для них в одну [16]. Для этого объединяют смешением или совместным растворением углеродсодержащий прекурсор и соединения металлов с последующей термической обработкой, приводящей к образованию металлических наночастиц на углеродном носителе. Кроме этого, различают моно-, би, три- и мультиметаллические системы. Биметаллические наночастицы имеют ряд преимуществ за счет появления новых свойств [17,18]. Каталитические или иные функциональные свойства таких систем зависят как от содержания металлов в подобных нанокомпозитах, так и от размера наночастиц и других структурных характеристик нанокомпозитов.

Ранее нами предложен способ формирования металл-углеродных нанокомпозитов, заключающийся в одновременном формирования металлических наночастиц и графитоподобного углеродного носителя на основе карбонизованного полимера [19–21]. Для термообработки материалов использовалось некогерентное инфракрасное (ИК) излучение, которое имеет большую скорость нагрева образца и обеспечивает значительное сокращение времени синтеза материала, уменьшая время выдержки при заданной температуре до 2 мин. В данной работе предложен способ одновременного синтеза биметаллических наночастиц Fe-Co в условиях пиролиза хитозана. Исследовано влияние содержание металлов на структурные характеристики полученных металл-углеродных нанокомпозитов.

Экспериментальная часть

В ходе работы были получены образцы нанокомпозитов ИК-ХТ/Fe-Co с содержанием металлов по отношению к массе полимера, равным 2, 5, 8, 12 и 15 % с мольным соотношением Fe : Co = 1 : 1.В качестве прекурсора углеродной матрицы использовался промышленный хитозан с молекулярной массой 500 кДа, синтезированный щелочным дезацетилированием крабового хитина (степень дезацетилирования ~83 %), а также соли: Fe(NO₃)₃·9H₂O и Co(NO₃)₂·6H₂O.В качестве растворителя полимера использовался двухпроцентный раствор уксусной кислоты в бидистиллированной воде.

В результате смешения с солями металлов и обработки ультразвуком для равномерного распределения солей по объему был получен однородный раствор, который, после удаление растворителя, подвергался температурной обработке при температуре 700 °С. Температурная обработка осуществлялась в лабораторной установке ИК-нагрева в инертной атмосфере азоте и временем выдержки при конечной температуре 2 минуты. Скорость нагрева составляла 50 °С/мин, интенсивность ИК-излучения фиксировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары по температуре нагрева образца. Температурный профиль процесса назначался с помощью программного обеспечения регулятора температуры фирмы «Термодат». Точность регулировки температуры и времени составляла 0,1 °С и 1 секунду соответственно.

Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ был проведен на рентгеновском аналитическом микроскопе РАМ-30μ (Россия, Научные приборы) на вольфрамовом излучении [21].

Фазовый состав изучен на рентгеновском дифрактометре «Дифрей-401» (Россия, Научные приборы). Съемка была проведена на CrK_α-излучении с фокусировкой по Бреггу-Брентано при напряжении 25 кВ и токе 4 мА [22]. На основании полученных дифрактограмм по методике Селиванова-Смыслова рассчитаны средние размерыи построены распределения областей когерентного рассеяния (ОКР) по размерам [23].

Морфология частиц была исследована методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе JEM-2100 (Япония, JEOL) [24]. На основании результатов измерения размеров наночастиц Fe-Co построены гистограммы распределения частиц по размерам.

12 Следующая ⇒