Получение и исследование новых материалов и катализаторов на основе системы CdTe-ZnS Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

%

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 541.1+541.183:621.315.592.4+ 546.681.19

И. А. КИРОВСКАЯ И. Ю. КАСАТОВА А. В. ЮРЬЕВА В. И. СУРИКОВ Ю. К. МАШКОВ В. Ф. СУРОВИКИН П. Е. НОР Ю. И. МАТЯШ

Омский государственный технический университет

Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск

Омский государственный университет путей сообщения

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И КАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ CdTe-ZnS

По разработанной технологии впервые получены твердые растворы замещения системы CdTe—ZnS — новые материалы и катализаторы. Изучены химический состав поверхности, кислотно-основные и каталитические свойства порошкообразных и пленочных образцов в реакции восстановления диоксида азота аммиаком. Найден наиболее активный и низкотемпературный катализатор обезвреживания NO2 состава

Ключевые слова: технология, твердые растворы, катализаторы, кислотно-основные свойства поверхности, обезвреживание диоксида азота.

Рентгеноструктурный анализ (РСА)

На рис. 1 приведены рентгенограммы (штрих-диаграммы) компонентов системы С<ЗТе — 2п8.

Относительное положение основных линий на рентгенограммах и распределение их интенсивностей свидетельствуют о том, что С<ЗТе и твердые

растворы имеют структуру сфалерита, а сульфид цинка — структуру вюрцита.

Рассчитанные по формулам, приведенным в [1, 2], значения параметров кристаллической решетки (а), межплоскостных расстояний (<Зьк1) и рентгеновской плотности (рг) компонентов системы С<ЗТе — 2пБ представлены в табл. 1.

Рис. 1. Штрих-диаграммы компонентов системы С^е-7пБ

1 СГЇТЄ; 2 С^Є0,982п5 0,02' 3 С^Те0,97^П^ 0,03'

4 - Сате0,0„2п8 0,9в; 5 - Сате0,0з2п80,97; 6 - 2пБ

Таблица 1

Структурные характеристики бинарных соединений и твердых растворов системы С^е- 7п8, полученные методом РСА

Состав Параметры решеток Межплоскостные расстояния, dhkl, Л Рентгеновская плотность, рг, г/см3

а, А с, А 111 220 002 004

СйТе 6,49 - 6,496 6,508 - - 5,83

СйТео|982п8 0,02 6,35 - 6,358 6,422 - - 6,15

СГЇТЄо,972п8 0,03 6,33 - 6,358 6,309 - - 6,17

CdTe0|04ZnS 0,96 5,41 - 5,663 5,405 - - 4,32

СйТе0,0з2пБ 0,97 5,36 - 5,344 5,360 - - 4,38

ZnS 3,69 6,25 - - 6,25 6,26 3,77

Таблица 2

Значения рН изоэлектрического состояния поверхности (рНизо) компонентов системы С#Те-7пБ

Состав рНизо

CdTe 6,29

CdTe0|98ZnS 0,02 6,30

CdTe0|97ZnS 0,03 6,32

CdTe0|04ZnS 0,96 6,64

CdTe0|0зZnS 0,97 6,65

ZnS 6,68

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

Рис. 2. ИК-спектры поверхности компонентов системы Сате^пБ, экспонированных на воздухе:

1 - Ссіте; 2 - (Сате)0,98 ^0,02; 3 - (Сате^ ^пБ^,

4 - (Сате)0,04 ^пБ^; 5 - (Сате)0,0з ^пБ^; 6 - 2пБ

С изменением состава системы отличаются монотонное изменение параметра решетки (а), меж-плоскостных расстояний ^ш) и экстремальное (через максимум) — рентгеновской плотности (рг)

Химический состав поверхности

Согласно ИК-спектрам (рис. 2), поверхность бинарных соединений (CdTe, ZnS) и твердых растворов системы CdTe — ZnS, экспонированных на воздухе, содержит преимущественно адсорбированные молекулы воды (3300-3400 и 1610-1640 см-1), гидроксильные группы, углеродсодержащие соединения (23002400 см-1) и продукты окисления поверхностных атомов.

После вакуумной термической обработки (в соответствующих режимах) поверхность освобождается от адсорбированных примесей, в значительной

рНи-

Л,К Е.,6

м

6

Рис. 3. Зависимость рНизо поверхности компонентов системы СОТе^пБ от состава

степени от оксидной фазы, и ее состав приближается к стехиометрическому [3, 4].

Исследование кислотно-основных свойств

Определение водородного показателя изоэлектрического состояния поверхности (pH )

Согласно данным (табл. 2, рис. 3), значения рНизо исследуемых компонентов системы, экспонированных на воздухе, изменяются в ряду Сс1Те—> (Сс1Те)х(2п8)1_х-^2п8 от 6,29 (для СсГГе) до 6,68 (для 2п8) с ростом мольной доли 2п8. Это свидетельствует о слабокислом характере поверхности и превалировании на ней кислотных центров.

Практически плавное изменение pH с составом

^ г изо

(рис. 3) является дополнительным подтверждением образования в системе СсГГе —2п8 твердых растворов замещения.

Механохимические исследования

Диспергирование в воде крупнодисперсных порошков бинарных соединений (С<ЗТе, 2п8) и твердых растворов (С<ЗТе)х(2п8)1х сопровождается подкис-лением (уменьшение рН) и подщелачиванием (увеличение рН) среды (рис. 4). Подкисление среды согласуется с наличием в ИК-спектрах водных дисперсий образцов полос поглощения ионов Те04-, имеющих, согласно [5, 6], поверхностное происхождение.

Каталитические исследования

После предварительной оценки температурных интервалов индивидуальной и совместной адсорбции газов — участников изучаемой реакции были проведены прямые каталитические исследования, результаты которых представлены в табл. 3.

По результатам каталитических исследований можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее каталитически активным в реакции селективного восстановления оксида азота (IV) аммиаком является твердый раствор С<ЗТе0042п8 096 Степень превращения на нем И02 — 61 %, (при температуре 323К).

2. С ростом мольной доли 2п8 каталитическая активность уменьшается и изменяется в ряду последовательности: С<ЗТе0 0^п8 0 96®С<ЗТе0 0^п8 0 97®2п8.

6 -I------1------1-------1------1-------1------1------1-------1-----•.мин

0 5 ю 15 20 25 30 35 40

Рис. 4. Кинетические изотермы диспергирования в воде компонентов системы СаТе^пБ: 1 - 2пБ; 2 - (СаТе^^пБ),,,,,; 3 - (СаТе^^пБ) 4 - (СаТе)№(2п8) „да;

5 — (СаТе^^пБ) „2 ; 6 — сате

303 315 323 333 3*13 353 363 373 353 3£3

Рис. 5. Температурные зависимости степени превращения N02 на порошках и твердых растворах

Таблица 3

Степень конверсии N02 на образцах

Состав Температура, К Содержание N02 на входе в реактор, мкг Содержание N02 на выходе из реактора, мкг Степень превращения N02, %

ZnS 303 40,03 20,71 48,3

323 40,03 19,64 50,1

353 40,03 23,40 41,5

383 40,03 20,71 48,3

CdT e0|0зZnS 0,97 303 40,03 19,13 52,2

323 40,03 17,49 56,3

353 40,03 18,09 54,8

383 40,03 20,37 49,1

CdT e0|04ZnS 0,96 303 40,03 17,13 57,2

323 40,03 15,69 60,8

353 40,03 17,77 55,6

383 40,03 20,61 51,5

CdTe 303 11,96 10 16

323 11,96 7,62 57

353 11,96 9,06 23

383 11,96 9,78 18,4

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

3. Для всех исследуемых компонентов наблюда- 6. Питер, Ю. Основы физики полупроводников / Ю. Пи-

ется скачкообразное изменение степени превраще- тер, Кардона Мануэль. — М. : Физматлит, 2002. — 560 с.

ния N02 с максимумами при 323К и 383 К.

Заключение

Разработана технология, получены многокомпонентные полупроводники — твердые растворы замещения (С<ЗТе)х(2п8)1х, перспективные материалы и катализаторы.

Изучены, в сравнении с бинарными полупроводниками (С<ЗТе, 2п8), их объемные (структурные) и поверхностные физико-химические свойства: химический состав поверхности, кислотно-основные и каталитические.

Показана возможность прогнозирования каталитических свойств на основе сведений о кислотноосновных свойствах (как и адсорбционных). Найден активный катализатор состава С<ЗТе0042п8 0 96, позволяющий обезвреживать N02 уже при температуре 323 К.

Библиографический список

1. Кировская, И. А. Твердые растворы бинарных и многокомпонентных полупроводниковых систем : монография / И. А. Кировская. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. — 400 с.

2. Кировская, И. А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Химический состав поверхности. Катализ / И. А. Кировская. — Иркутск : Изд-во ИГУ, 1988 . — 220 с.

3. Тонкие пленки антимонида индия. — Кишинев : Шти-инца, 1989. — 162 с.

4. Кировская, И. А. Поверхностные явления : монография / И. А. Кировская. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001. — 174 с.

5. Кировская, И. А. Кислотно-основные свойства поверхности твердых растворов !п8Ъ-С^е / И. А. Кировская, Е. В. Миронова // Журн. физ. химии. — 2005. — Т. 79. №4. — С. 755 — 758.

КИРОВСКАЯ Ирина Алексеевна, доктор химических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физической химии Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

КАСАТОВА Ирина Юрьевна, ассистент кафедры физической химии ОмГТУ.

ЮРЬЕВА Алла Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии ОмГТУ. СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики ОмГТУ.

МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики ОмГТУ.

СУРОВИКИН Виталий Фёдорович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института проблем переработки углеводородов СО РАН.

НОР Полина Евгеньевна, ассистент кафедры физической химии ОмГТУ.

МАТЯШ Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения.

Адрес для переписки: рЫ8сет@ошд1и.га

Статья поступила в редакцию 19.12.2011 г.

© И. А. Кировская, И. Ю. Касатова, А. В. Юрьева,

В. И. Суриков, Ю. К. Машков, В. Ф. Суровикин,

П. Е. Нор, Ю. И. Матяш

Информация

Гранты на поддержку научных исследований в рамках ФЦП «Кадры»

(XIII очередь, мероприятие 1.1, естественные науки)

В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» проводится открытый конкурс на право заключения государственных контрактов на выполнение научно-исследовательских работ для государственных нужд (XIII очередь, мероприятие 1.1, естественные науки)

Лот 1: Поддержка научных исследований, проводимых коллективами научно-образовательных центров по научному направлению «Химия» в области:

— Неорганическая и координационная химия. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа

Лот 2: Поддержка научных исследований, проводимых коллективами научно-образовательных центров по научному направлению«Химия» в области:

— Органическая и элементоорганическая химия. Нефтехимия. Катализ

Лот 3: Поддержка научных исследований, проводимых коллективами научно-образовательных центров по научному направлению«Химия» в области:

— Физическая химия. Электрохимия. Радиохимия. Химия высоких энергий

Лот 4: Поддержка научных исследований, проводимых коллективами научно-образовательных центров по научному направлению«Химия» в области:

— Высокомолекулярные соединения. Коллоидная химия и поверхностные явления

Заявки принимаются до 25 июня 2012 года.

Информация о конкурсе на сайте ФЦП «Кадры»: Ы1р://1срк.га/са1а1од.а8рх?Са1а1одИ = 4064

Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/257/231936.php (дата обращения: 10.04.2012)