CC BY
54
УДК 541.49:541.12
ХИМИЯ В НАНОРЕАКТОРАХ И НАНОМЕТАЛЛУРГИЯ: РЕДОКС СИНТЕЗ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ НАНОСИСТЕМ
1,2тринеева в. в., 1,3кодолов в. и.
Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии УдНЦ УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 2Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
АННОТАЦИЯ. Химия в нанореакторах и нанометаллургия рассматриваются как редокс синтез наночастиц (кластеров) металлов в нанореакторах полимерных матриц. Процесс редокс синтеза металлсодержащих углеродных наноструктур (металл/углеродных нанокомпозитов) предложено осуществлять, наряду с описанным ранее методом, путем механохимической обработки смеси оксидов металлов, включая металлургическую пыль или тонкоизмельченную руду, и полимерных систем, содержащих боковые функциональные группы, например, поливиниловый спирт. Обсуждены теоретические и экспериментальные результаты исследований с позиций нанохимии и мезоскопической физики.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нанохимия, нанометаллургия, нанореакторы, редокс синтез, металл/углеродные нанокомпозиты, механохимическая обработка, интеркаляция, мезоскопическая физика, теория фракталов.
ВВЕДЕНИЕ
Ранее в работах [1 - 3] приведены основные определения и сведения о методах получения различного типа наноструктур. Особое внимание в наших предыдущих публикациях уделено процессам на межфазных границах твердых тел и в нанореакторах минеральных и полимерных сред. Поэтому определение нанохимии сформулировано следующим образом -
Нанохимия - это наука, изучающая наноструктуры и наносистемы в метастабильных «переходных» состояниях и процессы, протекающие с ними вблизи «переходного» состояния или в «переходном» состоянии с малыми энергиями активации.
Отмечают [4], что основой нанохимии является самоорганизация химических систем и соответствующее изменение их электронной структуры. Закономерности, понятия и представления нанохимии в большой степени заимствованы из соответствующих разделов криохимии, коллоидной химии, полимерной химии, биохимии и химии поверхности. Среди изученных наноструктур наибольшее количество исследований посвящено углеродным наноструктурам. Поэтому истоки развития исследований углеродных и металл/углеродных наноструктур ведут свое начало от процессов получения полиароматических веществ. Логика развития видна из следующей краткой справки из [5]:
Начало положили работы P. Kovacic, A. Kyriakis, посвященные открытию и исследованию процессов дегидрополиконденсации, которые осуществлялись на каталитических системах: AlCl3 - CuCl2 - H2O; AlCl3 - CuCl2 - Хлороформ или AlCl3 - CuCl2 - KCl - и проводились на следующих процессах: Бензол ^ Полибензол; Нафталин ^ Полинафталин. Позднее подобные каталитические системы Ota, Otani, а затем А. А. Берлин использовали для получения прекурсоров углеродных волокон и собственно углеродных волокон. Спустя немного времени в качестве катализаторов дегидрополиконденсации нафталина и антрацена предложено было использовать
фосфоновые кислоты и полифосфорную кислоту. Эти работы преследовали ту же цель, что предыдущие, - получение прекурсоров углеродных волокон.
Перечисленные работы послужили основой развития направления получения металлуглеродных наноструктур в нанореакторах функциональных полимеров [6 - 8].
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В НАНОРЕАКТОРАХ: ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Основные понятия и определения химии в нанореакторах приведены в работе А.Л. Бучаченко [9]. Из этих работ следует, что нанореакторы - это энергетически насыщенные области нанометровых размеров в матрицах, в которых осуществляются направленные химические процессы. Известны процессы на межфазных границах, например, межфазная поликонденсация [10], в каналах кристаллов [11], в нанометровых пространствах между зондом и поверхностью [12].
К нанореакторам относят [13] биологические объекты, такие, как рибонуклеиновые кислоты, центриоли в клетке (рис. 1).
Рис. 1. Нанореакторы в клетке (центриоли, способствующие процессу деления клетки - митозу)
Во всех случаях можно выделить основные особенности технологии синтезов наноструктур в нанореакторах:
• Уменьшение количества побочных параллельных процессов, направленность процесса в сторону получения целевого нанопродукта (основная особенность).
• Низкие энергетические затраты и высокие скорости процессов.
• Зависимость свойств получаемых наноструктур от энергетических и геометрических характеристик нанореакторов.
Из перечисленных особенностей можно сделать вывод о перспективности синтезов в нанореакторах. При этом для получения наноструктур с изменением степеней окисления реагентов в нанореакторах вполне применимы принципы мезоскопической физики, синергетики и теории фракталов. Вместе с тем для развития технологии производства наноструктур в нанореакторах необходимо решить ряд проблем, из которых основными, по нашему мнению, являются следующие:
1. Создание аппарата прогнозирования и проектирования определенных нанореакторов и наноструктур (компьютерное моделирование).
2. Создание наношкальной инструментальной базы, отслеживающей процессы в ходе синтеза в нанореакторах определенных матриц.
3. Создание методов эффективного и безопасного для продукта и нанореактора выделения и тестирования полученных наноструктур.
Одним из видов нанореакторов могут быть полиэлектролитные нанореакторы, в которых протекают окислительно-восстановительные реакции с ионами, например, с ионами металлов. В этих случаях процессы определяются формой нанореакторов и могут описываться следующими уравнениями:
• Для цилиндрического нанореактора -
= кт 1п ^, е1 N
где q - распределенный заряд по внутренней поверхности цилиндра, г - радиус цилиндра, I - длина цилиндра, е - относительная диэлектрическая проницаемость.
• Для цилиндрического коаксиального цилиндра -
2nFq 1п (г2/ г) N
-4 У 2 = ЯТ1п^,
е1 N
где г2 - радиус внешнего цилиндра, г1 - радиус внутреннего цилиндра.
• Для полости с плоскими поверхностями -
РМ = ЯТ ,п ^,
еХ N
где с1 - расстояние между плоскими поверхностями, Х - площадь поверхности плоскостей, представляющей собой стенки нанореактора.
• Для сферического нанореактора -
nFqгe
где г - радиус сферического нанореактора.
Подобные модели с введением соответствующих химических частиц рассматриваются с привлечением аппарата квантовой химии. Для процессов в нанореакторах соответствующих матриц с участием заданных фрагментов химических реагентов подбирается модель, близкая по природе и строению к реальным условиям процессов.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛ/УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ В НАНОРЕАКТОРАХ МАТРИЦ
В ряде работ [14, 15] представлены результаты моделирования и формирования металл/углеродных нанокомпозитов в расплавах солей металлов из ароматических углеводородов, в растворах солей металлов из поливинилового спирта, поливинилацетата или поливинилхлорида, методом механохимической интеркаляции оксидов металлов в поливиниловый спирт. Несмотря на различие составов реакционных смесей, в перечисленных случаях формирования металлсодержащих наноструктур имеет место окислительно-восстановительный процесс, который можно отнести к редокс синтезу и объяснить с позиций мезоскопической физики [16]. Ниже приведены схемы моделей процессов, которые определены из квантово-химических расчетов (рис. 2 - 4).
Следует отметить, что получение определенного результата вычислительного эксперимента проводится по стадиям. Любые превращения на начальных стадиях учитываются в последующих стадиях. Если на первой стадии происходит отщепление хлористого водорода, как в ниже приведенном примере моделирования получения никель/углеродной наноструктуры, то на следующей стадии расчет проводится новой видоизмененной системы (рис. 5).
= ЯТ 1п^,
Ме С1
С -и
Рис. 2. Схема редокс синтеза металлсодержащих наноструктур, сопровождаемого дегидрополиконденсацией нафталина (ароматических углеводородов)
Рис. 3. Схема редокс синтеза медь/углеродных нанокомпозитов в нанореакторах поливинилового спирта
Рис. 4. Схема редокс синтеза металл/углеродных нанокомпозитов из оксидов металлов в нанореакторах полимерных матриц
н
Рис. 5. Схема результатов квантово-химического расчета по стадиям взаимодействия хлорида никеля с фрагментами поливинилового спирта и полиэтиленполиамина, образующими стенки нанореактора
Как видно из рис. 5, при взаимодействии хлорида никеля с фрагментами поливинилового спирта и полиэтиленполиамина, образующими стенки нанореактора, происходит восстановление металла и изменение геометрии фрагментов с образованием циклических структур. Полученные результаты квантово-химических расчетов подтверждаются экспериментальными исследованиями.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИЕМЫ СИНТЕЗОВ НАНОКОМПОЗИТОВ В НАНОРЕАКТОРАХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ
Методы получения металл/углеродных нанокомпозитов путем смешения растворов солей и функциональных полимеров или механохимической интеркаляцией оксидов металлов в функциональные полимеры описаны в работах [1 - 2]. Обычно процесс заключается в формировании заполненных металлсодержащей фазой нанореакторов полимерной фазы и начальной стадией редокс синтеза, а затем в проведении термохимической стадии, в которой протекает рост наноструктур в процессе редокс синтеза с образованием металлической фазы в углеродной или углеродно-полимерной оболочке. Независимо от метода получения нанокомпозитов проводится контроль процессов в нанореакторах на каждой стадии. При этом применяются следующие методы контроля:
• спектрофотометрия;
• оптическая просвечивающая микроскопия;
• ИК спектроскопия;
• дифрактометрия;
• рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;
• атомная силовая микроскопия;
• ДТА-ТГ исследование.
В процессе смешения растворов солей металлов с растворами функциональных полимеров, например, поливинилового спирта, происходит координация иона металла с функциональными группами полимера, сопровождаемая изменением окраски раствора. При выделении растворителя образуются цветные ксерогели с характерными структурами -нанореакторами (рис. 6, 7).
Рис. 6. Просвечивающая оптическая микроскопия. Рис. 7. Просвечивающая оптическая микроскопия. Фотография ксерогеля смеси ПВС Фотография ксерогеля смеси ПВС
с хлоридом меди с хлоридом никеля
Формы нанореакторов, которые видны из фотографий просвечивающей оптической микроскопии практически совпадают с результатами атомной силовой микроскопии, с помощью которой определяются размеры нанореакторов (рис. 8, 9) [18].
Рис. 8. Атомно-силовая микроскопия. Микрофотография структуры поверхности пленки ксерогеля смеси поливинилового спирта и хлорида никеля
а) б)
Рис. 9. Изображения распределения фазового контраста, полученные методом АСМ, для пленок ксерогелей «ПВС- хлориды меди (а), никеля (б)»
Ксерогели, полученные на первой стадии, подвергали нагреву в регулируемом температурно-временном режиме, определенном экспериментально с помощью исследований ДТА-ТГ и теоретически с использованием уравнения Аврами-Колмогорова (теория фракталов). Через два часа при 200 °С обычно получались нанопленки, структура которых определяется природой металла и функционального полимера. Ниже приведены фотографии пленок, изображения на которых получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (рис. 10, 11).
Рис. 10. Формы нанопленок в зависимости от участвующего в процессе металла
(вверху - медь, внизу - кобальт)
Рис. 11. Формы нанопленок, полученных в нанореакторах ПВС - ПЭПА
Характеристики и свойства синтезированных металл/углеродных нанокомпозитов, полученных по предложенному методу, приводятся и обсуждаются в работах [1 - 2].
В свою очередь, представленная технология имеет следующие преимущества:
• Оригинальность способа получения металл/углеродных нанокомпозитов с оценкой влияния состава исходной смеси на их свойства.
• Широкое применение независимых современных экспериментальных и теоретических методов анализа для контроля технологического процесса.
• Разработанная технология в зависимости от условий проведения процесса позволяет синтезировать широкий круг металл/углеродных нанокомпозитов.
• Метод получения металл/углеродных нанокомпозитов позволяет применять вторичное сырье и может использоваться для переработки металлургического сырья.
ОСОБЕННОСТИ РЕДОКС СИНТЕЗА В НАНОМЕТАЛЛУРГИИ
Метод получения металл/углеродных нанокомпозитов может использоваться при анализе и переработке тонкоизмельченных порошков галоидных и оксидных руд, а также металлургической пыли.
Тогда возможно следующее определение нанометаллургии -
Нанометаллургия - это область нанохимии, изучающая редокс синтез нанокластеров металлов и металлических наносистем с набором специфических свойств, в том числе в нанореакторах или микропористых средах.
Может быть и другое определение -
Нанометаллургия - это направление нанотехнологии, которое заключается в выделении и разделении металлов из сырья в процессе получения углеродных металлсодержащих наноструктур.
Для исследований возможностей технологии проведены эксперименты с тонкодисперсными порошками руды Норильского металлургического комбината, содержащими оксиды никеля, кобальта, меди и железа, железистого кека и с металлургической пылью Норильского металлургического комбината и АО «Ижсталь». Предварительно с помощью дифрактометрии анализировался состав соответствующих порошков. Установлено, что в металлургической пыли Норильского комбината есть оксиды никеля, кобальта, железа и меди, а в пыли АО «Ижсталь» превалирует оксид трехвалентного железа. При механохимическом совмещении соответствующих металлсодержащих порошков с поливиниловым спиртом образовались окрашенные ксерогели. В работах [1 - 2] приведены результаты исследований редокс синтеза металл/углеродных нанокомпозитов из вторичного металлургического сырья с использованием описанного метода. С помощью просвечивающей оптической микроскопии по окраске участков полученных ксерогелей устанавливается природа оксида и приблизительное его содержание в порошке. На рис. 12, 13 приведены фотографии смеси железистого кека и поливинилового спирта (ПВС), а также смеси частиц руды с ПВС.
На фотографии ксерогеля смеси частиц руды и ПВС видны окрашенные в разные цвета участки разного размера, которые можно предположительно отнести к образовавшимся комплексам с соответствующими элементами. Наибольшее поле в фотографии занимают относительно протяженные формирования, соответствующие по цвету нанореакторам, заполненным никельсодержащей фазой. Проведение термохимической стадии приводит к образованию шаровидных и трубчатых наноструктур, представляющих собой металлсодержащие кластеры в соответствующей углеродной или углеродно-полимерной оболочке.
Рис. 12. Просвечивающая оптическая Рис. 13. Просвечивающая оптическая
микроскопия. Фотография ксерогеля смеси микроскопия. Фотография ксерогеля смеси
железистого кека с ПВС частиц руды с ПВС
Согласно работе [21] никель/углеродные нанокомпозиты по форме близки к трубчатым наноструктурам, а медь/углеродные - к шаровидным. Исследование с помощью просвечивающей электронной микроскопии полученных из металлургической пыли металл/углеродных нанокомпозитов показало наличие и тех, и других форм наноструктур (рис. 14, 15).
Рис. 14. Просвечивающая электронная микроскопия. Рис. 15. Просвечивающая электронная
Микрофотография фуллеренов с металлом внутри, микроскопия. Микрофотография тубуленов,
полученных из металлургической пыли и ПВС полученных из металлургической пыли и ПВС
Для подтверждения наличия никеля в тубуленах проведено их исследование с помощью дифракции электронов (рис. 16).
Рис. 16. Картина электронной дифракции тубуленов, полученных из металлургической пыли и ПВС
Таким образом, использование металлургических отходов для синтеза металл/углеродных нанокомпозитов, имеющих довольно обширные области применения, также повышает экологическую безопасность. Поэтому можно говорить об экологических характеристиках предложенного метода. К основным экологическим характеристикам метода получения металлсодержащих углеродных наноструктур и их аналогов можно отнести:
1. Ресурсосбережение, поскольку способ не требует больших затрат энергии и открывает возможность использования полупродуктов и отходов металлургического производства, что позволяет рекомендовать его в технологиях, основанных на вторичном использовании ресурсов.
2. Снижение воздействия производства на окружающую среду, поскольку сам процесс практически не сопровождается выбросами, так как побочные продукты «связываются» с матрицей, благодаря ее свойствам, кроме того, полученные продукты можно использовать для улавливания выбросов других производств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведен обзор работ по методам получения металл/углеродных нанокомпозитов, в том числе с использованием в качестве сырьевых ресурсов отходов металлургического производства. Рассмотрены варианты контроля редокс синтеза металл/углеродных нанокомпозитов в течение первой и второй стадий синтеза. Установлена зависимость формы получаемых нанопленок металл/углеродных нанокомпозитов (по результатам ПЭМ) от природы металла и функционального полимера. Приведены примеры, иллюстрирующие применение редокс синтеза нанокомпозитов в нанометаллургии. Показана возможность применения метода для анализа состава руды, а также для получения металл/углеродных нанокомпозитов из металлургической пыли.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» № 2014/45 проект 574.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кодолов В. И., Хохряков Н. В. Химическая физика формирования и превращений наноструктур и наносистем. В 2 томах. Т. 1. Понятия, классификация, гипотезы, получение и исследование наноструктур и наносистем. Ижевск: Изд-во ИжГСХА, 2009. 360 с.
2. Шабанова И. Н., Кодолов В. И., Теребова Н. С., Тринеева В. В. Рентгеноэлектронная спектроскопия в исследовании металл/углеродных наносистем и наноструктурированных материалов. М.-Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2012. 252 с.
3. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Khokhriakov N. V. Synthesis and Application of Metal/Carbon and Metel/Poly-meric Nanocomposites: Theory, Experiment and Production // In Book: The problems of nanochemistry for the creation of new materials. Poland, Torun: IEPMD, 2012, рp. 7-15.
4. Сергеев Г. Б. Нанохимия. М.: Изд-во МГУ, 2003. 288 с.
5. Булгаков В. К., Кодолов В. И., Липанов А. М. Моделирование горения полимерных материалов. М.: Химия, 1990. 240 с.
6. Кодолов В. И., Дидик А. А., Волков А. Ю., Волкова Е. Г. Способ получения металлсодержащих углеродных наноструктур из органического соединения с добавками неорганических солей // Патент РФ № 2221744, 2004.
7. Кодолов В. И., Дидик А. А., Шаяхметова Э. Ш., Кузнецов А. П., Волков А. Ю., Волкова Е. Г. Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур из ароматических углеводородов // Патент РФ № 2223218, 2004.
8. Кодолов В. И., Николаева О. А., Захарова Г. С., Шаяхметова Э.Ш., Волкова Е.Г., Волков А.Ю., Макарова Л.Г. Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур // Патент РФ № 2225835, 2004.
9. Бучаченко А. Л. Новые горизонты химии: одиночные молекулы // Успехи химии. 2006. Т. 75, № 4. С. 3-26.
10. Юфит С. С. Механизм межфазного катализа. М.: Наука, 1984. 264 с.
11. Kodolov V. I., Trineeva V. V. Fundamental definitions for domain nanostructures and metal/carbon nanocomposites // In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013. рр. 1-42.
12. Владимиров Г. Г., Лускинович П. Н., Никишин В. И. О возможности направленной термической десорбции частиц с острия // Микроэлектроника. 1989. Т. 18, вып. 5. С. 464-468.
13. Волькенштейн М. В. Молекулы и жизнь. М.: Наука, 1965. 504 с.
14. Khokhriakov N. V., Kodolov V. I., Korablev G. A., Trineeva V. V., Zaikov G. E. Prognostic Investigations of Metal or Carbon Nanocomposites and Nanostructures Synthesis Processes Characterization // In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013, рp. 43-99.
15. Липанов А. М., Кодолов В. И., Хохряков Н. В., Дидик А. А., Кодолова В. В., Семакина Н. В. Проблемы создания нанореакторов для синтеза металлических наночастиц в углеродных оболочках // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 2(22). С. 58-63.
16. Kodolov V. I., Khokhriakov N. V., Trineeva V. V., Blagodatskikh I. I. Problems of nanostructures activity estimation, nanostructures directed production and application // In Book: Nanomaterials Yearbook - 2009. From Nanostructures, Nanomaterials and Nanotechnologies to Nanoindustry. N.Y.: Nova Science Publishers, Inc., 2009, pp. 1-17.
17. Москалец М. В. Основы мезоскопической физики. Харьков: НТУ ХПИ, 2010. 180 с.
18. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Blagodatskikh I. I., Vasil'chenko Yu. M., Vakhrushina M. A., Bondar A. Yu. The nanostructures obtaining and the synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors // In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013. pp. 101-145.
19. Кодолов В. И., Тринеева В. В. Как мезоскопическая физика объясняет редокс синтез металл/углеродных нанокомпозитов в нанореакторах функциональных полимеров // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 4. С. 580-587.
20. Тринеева В. В. Технология получения металл/углеродных нанокомпозитов и применение их для модификации полимерных материалов. Автореф. дис. д-ра техн. наук. Ижевск, 2015. 41 с.
21. Тринеева В. В. Разработка и исследование механохимического способа получения углеродных металлсодержащих наноструктур. Автореф. дис. канд. техн. наук. Ижевск, 2009. 18 с.
22. Васильченко Ю. М. Разработка способа получения и исследование свойств металл/углеродных нанокомпозитов из вторичного полимерного и металлургического сырья. Автореф. дис. канд. техн. наук. Пермь, 2010. 20 с.
CHEMISTRY IN NANOREACTORS AND NANOMETALLURGY: REDOX SYNTHESIS OF METALCONTAINING NANOSYSTEMS
1,2Trineeva V. V., 1,3Kodolov V. I.
:Basic Research - High Educational Centre of Chemical Physics and Mesoscopy, Udmurt Scientific Centre,
Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
2Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
3M. T. Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The chemistry in nanoreactors and nanometallurgy are presented as redox synthesis of metal clusters (nanoparticles) in nanoreactors of polymeric matrices. To our mind the formation of metal/carbon nanocomposites within nanoreactors of polymeric matrices may be similar to the photography processes. At the beginning, when metal containing phase is mixed up with polymeric phase, the nanoreactor within polymeric matrix is filled by metal clusters of metal containing phase. The process is accompanied with cluster coordination on active centres of nanoreactor walls. It's photography process. Then during process of xerogels formation the development flows. And then at the heating of obtained product the fixation occurs. This picture of the nanostructures formation. Now the active chemical metal containing particle is taken root in the free nanosized hollow of polymeric matrices. It coordinates with functional groups of nanoreactor walls and loses the ability to diffusion and rotation. This muddled particle can be characterized by vibration motion, and also electron motion including the transport electrons across it. However, if the electro transport across our particle (cluster) will be carried out, the redox reactions will be stimulated and the metal reduction will be occurred. This process is direct and lead to self organization which may be observed at AFM investigations. For the further stimulation of metal/carbon nanocomposites formation process it is necessary the regular regime of unfinished product heating. Consequently, the redox synthesis of metal/carbon nanocomposites can be explained by
basic principles of Mesoscopic Physics. The investigation of redox synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors of polymeric matrices is realized in three stages:
1. The computational designing of nanoreactors filled by metal containing phase and quantum chemical modeling of processes within nanoreactors.
2. The experimental designing and nanorectors filling by metal containing phase with using two methods:
- The mixing of salt solution with the solution of functional polymer, for example, polyvinyl alcohol solution (method 2.1).
- The common degenaration of polymeric phase with metal containing phase (metal oxides) in active medium, for example, water (method 2.2).
3. The properly redox synthesis of Metal/Carbon nanocomposites in nanoreactors of polymeric matrices (obtained xerogels) at narrow temperature intervals.
The first and second stages concern to preperatiory stages. On the second stage the functional groups in nanoreactor walls participate in coordination reactions with metal ions (2.1 method) or with the clusters of metal containing phase (2.2 method).
Thus, at the metal/carbon nanocomposites obtaining there are following processes: the coordination reactions, the redox reactions and certainly the self organization processes.
The proposed method advantages are discussed including the possibility of its application for nanometallurgy, for example, the metallurgical dust utilization. The first stage of process, which is concluded in the mixing of metal containing phase with polymer containing phase, can be used for the metal containing phase content analysis. In paper the investigation examples of following fine dispersed powders: metallurgical dust, ores powders, metallurgical cakes, -are adduced.
KEYWORDS: nanochemistry, nanometallurgy, nanoreactors, redox synthesis, metal/carbon nanocomposites, mechanical chemical processing, intercalation, mesoscopic physics, fractal theory.
REFERENCES
1. Kodolov V. I., Khokhryakov N. V. Khimicheskaya fizika formirovaniya i prevrashcheniy nanostruktur i nanosistem. V 2 tomakh. T. 1. Ponyatiya, klassifikatsiya, gipotezy, poluchenie i issledovanie nanostruktur i nanosistem [Chemical Physics of Nanostructures (Nanosystems) Formations and Transformation: monograph. In 2 volumes. Vol. 1. Notions, Classification, Hypothesis, Obtaining and Investigations of Nanostructures and Nanosystems]. Izhevsk: IzGSKhA Publ., 2009. 360 p.
2. Shabanova I. N., Kodolov V. I., Terebova N. S., Trineeva V. V. Rentgenoelektronnaya spektroskopiya v issledovanii metall/uglerodnykh nanosistem i nanostrukturirovannykh materialov [X Ray Electro Spectroscopy for Investigation of Metal/Carbon Nanosystems and Nanostructured Materials]. Moscow-Izhevsk: Udmurtskiy universitet Publ., 2012. 252 p.
3. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Khokhriakov N. V. Synthesis and Application of Metal/Carbon and Metel/Poly-meric Nanocomposites: Theory, Experiment and Production. In Book: The problems of nanochemistry for the creation of new materials. Poland, Torun: IEPMD, 2012, рp. 7-15.
4. Sergeev G. B. Nanokhimiya [Nanochemistry]. Moscow: MGU Publ., 2003. 288 p.
5. Bulgakov V. K., Kodolov V. I., Lipanov A. M. Modelirovanie goreniyapolimernykh materialov [Modeling of polymeric Materials Combustion]. Moscow: Khimiya Publ., 1990. 240 p.
6. Kodolov V. I., Didik A. A., Volkov A. Yu., Volkova E. G. Sposob polucheniya metallsoderzhashchikh uglerodnykh nanostruktur iz organicheskogo soedineniya s dobavkami neorganicheskikh soley [The method of metal containing carbon nanostructures obtaining from organic compound with inorganic salts additives]. Patent RF № 2221744, 2004.
7. Kodolov V. I., Didik A. A., Shayakhmetova E. Sh., Kuznetsov A. P., Volkov A. Yu., Volkova E. G. Sposob polucheniya uglerodmetallsoderzhashchikh nanostruktur iz aromaticheskikh uglevodorodov [The method of carbon metal containing nanostructures obtaining from aromatic hydrocarbons]. PatentRF№ 2223218, 2004.
8. Kodolov V. I., Nikolaeva O. A., Zakharova G. S., Shayakhmetova E. Sh., Volkova E. G., Volkov A. Yu., Makarova L. G. Sposob polucheniya uglerodmetallsoderzhashchikh nanostruktur [The method of carbon metal containing nanostructures obtaining]. Patent RF № 2225835, 2004.
9. Buchachenko A. L. Novye gorizonty khimii: odinochnye molekuly [New horizons of chemistry: single molecules]. Russian Chemical Reviews, 2006, vol. 75, no. 4, pp. 3-26.
10. Yufit S. S. Mekhanizm mezhfaznogo kataliza [Mechanism of interface catalysis]. Moscow: Nauka Publ., 1984. 264 p.
11. Kodolov V. I., Trineeva V. V. Fundamental definitions for domain nanostructures and metal/carbon nanocomposites. In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013. рp. 1-42.
12. Vladimirov G. G., Luskinovich P. N., Nikishin V. I. O vozmozhnosti napravlennoy termicheskoy desorbtsii chastits s ostriya [Possibility of direct thermal desorption of the particles from point]. Russian Microelectronics, 1989, vol. 18, iss. 5, pp. 464-468.
13. Vol'kenshteyn M. V. Molekuly i zhizn' [Molecules and Life]. Moscow: Nauka Publ., 1965. 504 p.
14. Khokhriakov N. V., Kodolov V. I., Korablev G. A., Trineeva V. V., Zaikov G. E. Prognostic Investigations of Metal or Carbon Nanocomposites and Nanostructures Synthesis Processes Characterization. In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013, рp. 43-99.
15. Lipanov A. M., Kodolov V. I., Khokhryakov N. V., Didik A. A., Kodolova V. V., Semakina N. V. Problemy sozdaniya nanoreaktorov dlya sinteza metallicheskikh nanochastits v uglerodnykh obolochkakh [Problems of the development of nanoreactors to synthesize metal nanoparticles in carbon shell]. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, 2005, no. 2(22), pp. 58-63.
16. Kodolov V. I., Khokhriakov N. V., Trineeva V. V., Blagodatskikh I. I. Problems of nanostructures activity estimation, nanostructures directed production and application. In Book: Nanomaterials Yearbook - 2009. From Nanostructures, Nanomaterials and Nanotechnologies to Nanoindustry. N.Y.: Nova Science Publishers, Inc., 2009, pp. 1-17.
17. Moskalets M. V. Osnovy mezoskopicheskoy fiziki [The fundamentals of mesoscopic physics]. Kharkiv: NTU KhPI Publ., 2010. 180 p.
18. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Blagodatskikh I. I., Vasil'chenko Yu. M., Vakhrushina M. A., Bondar A. Yu. The nanostructures obtaining and the synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors. In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013. pp. 101-145.
19. Kodolov V. I., Trineeva V. V. Kak mezoskopicheskaya fizika ob"yasnyaet redoks sintez metall/uglerodnykh nanokompozitov v nanoreaktorakh funktsional'nykh polimerov [How mesoscopic physics explains the redox sunthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors of functional polymers]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics & Mesoscopy], 2015, vol. 17, no. 4, pp. 580-587.
20. Trineeva V. V. Tekhnologiya polucheniya metall/uglerodnykh nanokompozitov i primenenie ikh dlya modifikatsii polimernykh materialov [Technology of metal/carbon nanocomposites obtaining and its application for the modification of polymeric materials]. Izhevsk, 2015. 41 p.
21. Trineeva V. V. Razrabotka i issledovanie mekhanokhimicheskogo sposoba polucheniya uglerodnykh metallsoderzhashchikh nanostruktur [The treatment and investigation of mechanic chemical method for the obtaining of carbon metal containing nanostructures]. Izhevsk, 2009. 18 p.
22. Vasil'chenko Yu. M. Razrabotka sposoba polucheniya i issledovanie svoystv metall/uglerodnykh nanokompozitov iz vtorichnogo polimernogo i metallurgicheskogo syr'ya [The treatment of obtaining method and properties investigation of metal/carbon nanocomposites from secondary polymeric and metallurgic raw materials]. Perm, 2010. 20 p.
Тринеева Вера Владимировна, доктор технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: vera_kodolova@mail. ru
Кодолов Владимир Иванович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и химической технологии ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, e-mail: [email protected]
