Научная статья на тему 'Исследование электропроводящих наноструктур асфальтенов Западно-Сибирской нефти методом электронной феноменологической спектроскопии'

Исследование электропроводящих наноструктур асфальтенов Западно-Сибирской нефти методом электронной феноменологической спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
205
74
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АСФАЛЬТЕНЫ / ИНТЕГРАЛЬНАЯ СИЛА ОСЦИЛЛЯТОРА / КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ / НЕФТЬ / ПОЛУПРОВОДНИК / ПОТЕНЦИАЛ ИОНИЗАЦИИ / СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ / ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ЭЛЕКТРОННАЯ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ / ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТР / ABSORPTION COEFFICIENT / ASPHALTENES / ELECTRONIC PHENOMENOLOGICAL SPECTROSCOPY / ELECTRONIC SPECTRUM / ELECTRON AFFINITY / INTEGRAL OSCILLATOR STRENGTH / IONIZATION POTENTIAL / OIL / PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES / SEMICONDUCTOR

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Шуляковская Д. О., Доломатова М. М., Еремина С. А.

Проведены оценки параметров электронной зонной структуры, а также физико-химических свойств нефтяных асфальтенов месторождения Северный Балык по корреляциям «спектр свойства». Результаты исследования подтверждаются квантовыми расчетами модельных фрагментов асфальтенов и указывают на возможность использования наночастиц асфальтенов в качестве объектов молекулярной электроники.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Шуляковская Д. О., Доломатова М. М., Еремина С. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF ELECTROCONDUCTIVE NANOSTRUCTURES OF WEST-SIBERIAN OIL ASPHALTENES BY ELECTRON PHENOMENOLOGICAL SPECTROSCOPY METHOD

Parameters of electronic structure and physicochemical properties of the North Balyk oilfield asphaltenes have been estimated according to «spectrum-properties» correlation. Results of the research are confirmed by quantum calculations of asphaltenes model fragments and show the opportunity of asphaltenes nanoperticles application as electroconductive objects for molecular electronics.

Текст научной работы на тему «Исследование электропроводящих наноструктур асфальтенов Западно-Сибирской нефти методом электронной феноменологической спектроскопии»

Шуляковская Д. О. Shulyakovskaya D. O.

аспирант Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа

Доломатова М.М. Dolomatova M.M.

студентка Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа

Еремина С.А. Eremina S.A.

магистрант Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа

УДК 535.333, 539.19

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ НАНОСТРУКТУР АСФАЛЬТЕНОВ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ НЕФТИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОЙ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Проведены оценки параметров электронной зонной структуры, а также физико-химических свойств нефтяных асфальтенов месторождения Северный Балык по корреляциям «спектр - свойства». Результаты исследования подтверждаются квантовыми расчетами модельных фрагментов асфальтенов и указывают на возможность использования наночастиц асфальтенов в качестве объектов молекулярной электроники.

Ключевые слова: асфальтены, интегральная сила осциллятора, коэффициент поглощения, нефть, полупроводник, потенциал ионизации, сродство к электрону, физико-химические свойства, электронная феноменологическая спектроскопия, электронный спектр.

INVESTIGATION OF ELECTROCONDUCTIVE NANOSTRUCTURES OF WEST-SIBERIAN OIL ASPHALTENES BY ELECTRON PHENOMENOLOGICAL SPECTROSCOPY METHOD

Parameters of electronic structure and physicochemical properties of the North Balyk oilfield asphaltenes have been estimated according to «spectrum-properties» correlation. Results of the research are confirmed by quantum calculations of asphaltenes model fragments and show the opportunity of asphaltenes nanoperticles application as electroconductive objects for molecular electronics.

Key words: absorption coefficient, asphaltenes, electronic phenomenological spectroscopy, electronic spectrum, electron affinity, integral oscillator strength, ionization potential, oil, physicochemical properties, semiconductor.

Асфальтены являются широко распространенными, но малоизученными объектами высокомолекулярных природных систем [1]. В последние годы появились работы, свидетельствующие о возможности получения полимерных материалов и молекулярных полупроводников на основе парамагнитной фазы нефтяных асфальтенов [2-3]. Целью данной работы является исследование параметров электронной зонной структуры и физико-химических свойств (ФХС) асфальтенов, выделенных стандарт-

ным способом Гольде из обезвоженной резервуар-ной нефти месторождения Северный Балык.

В качестве основного инструмента исследования использована электронная феноменологическая спектроскопия (ЭФС) [4], которая позволяет определить не только параметры электронной структуры, но и совокупность ФХС [5]. Оценка ФХС проводилась по оптическим характеристикам растворов асфальтенов, рассчитанным по электронным абсорбционным спектрам поглощения в диапазоне 190-780 нм (рис. 1).

112--— Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 9, 2013

Nanoelectronics and quantum data systems

Рис. 1. Непрерывный электронный спектр поглощения электромагнитного излучения толуольного раствора асфальтенов из нефти месторождения Северный Балык в УФ и видимой области

В данной работе оценка совокупности ФХС асфальтенов проводилась по корреляциям «спектр - свойства» по коэффициенту поглощения при аналитической длине волны к В работе [6] было установлено, что каждому ФХС соответствует несколько аналитических длин волн, при которых соотношение (1) выполняется с удовлетворительной точностью:

2 = V А • К, со

где 2 - физико-химическое свойство в каком-либо процессе под влиянием внешних условий;

К - соответствующее значение показателя поглощения разбавленных растворов углеводородных систем в оптически прозрачных растворителях,

определенное по спектрам поглощения в УФ и (или) видимой области при аналитической длине волны X, размерность л • г-1 • см-1;

А А - коэффициенты, значения которых определяются свойствами и областью поглощения излучения, размерность [свойство] и [свойство] г • см • л-1 соответственно [5].

Закон, который описывает корреляционную зависимость (1), получил название «спектр - свойства». Результаты определения некоторых ФХС изученных нефтяных асфальтенов по зависимости (1) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Оценка физико-химических свойств исследуемых асфальтенов по закономерности (1)

Физико-химическое свойство Аналитическая длина волны X, нм Коэффициент поглощения Кх, л/(г • см)

Отн. плотность 1,01 352 11,160

Концентрация углеродных парамагнитных центров, спин/(см3-1017) 66,7 352 11,160

Концентрация ванодиловых ПМЦ 13,0 352 11,160

спин/(см3-1017)

Коксуемость по Конрадсону, % мас. 38,3 455 5,240

Энергия активации вязкого течения, 88,5 476 4,400

кДж/моль

Молекулярная масса, а.е.м. 1472 667 1,080

Температура начала деструкции, °С 171 714 0,840

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 9, 2013

113

Характеристики зонной структуры исследуемых асфальтенов были рассчитаны по корреляциям «спектр - свойства» по логарифмической интегральной силе осциллятора (ЛФ ИСО). М.Ю. До-ломатовым было установлено [6], что изменение интегрального коэффициента поглощения излучения в видимой и (или) ультрафиолетовой (УФ) области (или изменение интегральной силы осциллятора) прямо пропорционально изменению ФХС УВС. Закон, который описывает корреляционную зависимость имеет вид:

г = Вв+В1 • ^ (2)

вк = / Lg (г (Х))ёХ, (3)

где г - физико-химическое свойство в каком-либо процессе под влиянием внешних условий, в данном случае характеристики электронной структуры эффективный потенциал ионизации (ЭПИ) и эффективное сродство к электрону (ЭСЭ), эВ;

в- интегральный логарифмический показатель поглощения (логарифмическая ИСО), нм;

г(Х) - молярный коэффициент поглощения, л • моль-1 • см-1;

X - длины волн, определяющие границы спектра поглощения в УФ и видимой областях, нм;

В0, В - коэффициенты, значения которых определяются свойствами и областью поглощения излучения, размерность которых эВ и эВ • нм-1 соответственно [7].

Коэффициенты В0 и В1 были получены в процессе статистической обработки данных электронных спектров и квантовых расчетов модельных фрагментов асфальтенов - полициклических углеводородов с гетероатомами и без них.

Результаты оценки ЭПИ и ЭСЭ наноструктур асфальтенов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики зонной структуры асфальтенов нефти месторождения Северный Балык

Характеристика По зависимости По зависимости

электронной структуры (2) для (2) с учетом

полициклических гетероатомов

углеводородов

ЭПИ, эВ 5,86 4,22

ЭСЭ, эВ 2,51 2,28

Энергия квазиуровня Ферми, эВ 1,68 0,97

Ширина запрещенной зоны без учета 3,35 1,94

Кулоновского взаимодействия

электрона и экситона, эВ

Исследование молекулярной структуры выбранных асфальтенов показывает, что их молекулярная масса составляет 1472 а.е.м. (табл. 1). Вместе с тем согласно методам ЭФС данные объекты характеризуются низкими значениями эффективного потенциала ионизации 4,22 эВ (табл. 2) и высокой коксуемостью по Конрадсону 38,3 % масс. Это означает, что структурными единицами являются полициклические ароматические молекулы с количеством бензольных колец > 4-5. Кроме того имеется высокая концентрация парамагнитных центров порядка 1018-1019 спин/см3. Расхождение в оценке ширины запрещенной зоны по различным зависимостям связано, по-видимому, с неуглеводородной природой асфальтенов, а оценки, калиброванные для углеводородов, дают наибольшую ошибку.

Таким образом, методами ЭФС были проведены оценки параметров зонной структуры и ФХС нефтяных асфальтенов. Экспериментально было

получено достаточно низкое значение ЭПИ и высокое ЭСЭ, что согласуется с квантовыми расчетами модельных фрагментов асфальтенов [2]. Это подтверждает возможность использования наночастиц нефтяных асфальтенов в качестве электропроводящих материалов для молекулярной электроники.

Список литературы:

1. Унгер Ф.Г. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов [Текст] / Ф.Г. Унгер, Л.Н. Андреева. - Новосибирск: Наука, 1995.

2. Dolomatov M.Yu. Asphaltenes of Oil and Hydrocarbon Distillates as Nanoscale Semiconductors [Тех!] / M.Yu. Dolomatov, S.V. Dezortsev, S.A. Shutkova // Journal of Materials Science and Engineering. -2012. - № 2. - P. 151-157.

3. Дезорцев С.В. Технология получения полупроводниковых материалов на основе нефтяных ас-

114

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 9, 2013

Nanoelectronics and quantum data systems

фальтенов [Текст] / С.В. Дезорцев, М.Ю. Доломатов, С.А. Шуткова // Химическая технология. - 2012. -№ 2. - С. 88-92.

4. Dolomatov M. Electron Phenomenological Spectroscopy and its Application in Investigating Complex Substances in Chemistry, Nanotechnology and Medicine [Тех1] / M. Dolomatov, G. Mukaeva, D. Shulyakovskaya // Journal of Materials Science and Engineering. - 2013. - № 3.

5. Доломатов М.Ю. Фрагменты теории реального вещества [Текст] / М.Ю. Доломатов. - М.: Химия, 2005. - 208 с.

6. Доломатов М.Ю. Применение электронной феноменологической спектроскопии для идентификации и исследования сложных органических систем [Текст] / М.Ю. Доломатов // Химия и технология топлив и масел. - 1995. - № 1. - С. 29-32.

7. Доломатов М.Ю. О связи физико-химических свойств и интегральных характеристик спектров сложных молекулярных систем [Текст] / М.Ю. Доломатов, Д.О. Шуляковская, И.В. Карабель-ская // Башкирский химический журнал. - 2013. -№ 1.

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 9, 2013

115

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.