CC BY
105СИНТЕЗ НАНОРАЗМЕРНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ МЕТОДОМ РАСТВОРНОГО ГОРЕНИЯ
Азарцова В.В. студентка, Павлова Е.А.
1- СПбГТИ (ТУ), Санкт-Петербург, i-no-vika@bk. ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2018-10010
Синтез наноразмерного оксида алюминия представляет собой интерес для развития таких отраслей науки и техники как полупроводниковая, атомная и квантовая электроника, производство каталитических, керамических и других материалов.
Одним из самых перспективных методов получения подобных материалов является синтез в реакциях растворного горения, solution combustion synthesis (SCS). Этот метод обладает рядом преимуществ: низкое энергопотребление, простое оборудование, снижение температуры и времени синтеза, чистота продуктов.
В настоящем исследование проводили синтез наноразмерного оксида алюминия методом растворного горения с использованием различного вида топлива: мочевины (U) и глицина (G). Изучалось не только влияние вида «топлива», но и его молярного соотношения к нитратным группам (ф) на формирование получаемого продукта. Метод SCS хорошо известен [1-3] и включает: растворение исходных компонентов, образования золя, упаривание смеси и ее последующее самовоспламенение, в ходе которого образуются продукт реакции. Количество исходных веществ рассчитывалось исходя из расчетов окислительно-восстановительных реакций. Расчет и процесс синтеза теоретически опирался на следующие реакции:
6Al(NO3)3-9H2O+5C6H8O7=3Al2O3+9N2+30CO2+74H2O;
6A1(NO3)3-9H2O+10C2HSO2N=3A12O3+14N2+20CO2+79H2O.
Изучали процесс получения Al2O3 для стехиометрического состава ф=1, при избытке ф>1 (для U: 1.20; 1,45; 1,70, для G: 1,25; 1,50; 1,80) и при недостатке топлив ф<1 (для U: 0.25; 0,50; 0,70), для G: 0,2; 0,45; 0,75).
Результаты рентгенофлуоресцентного анализа, ИК-спектроскопии показали, что среднее содержание Al2O3 составило: в случае синтеза с G - 92%, U - 98%. Применение в качестве топлива U приводит к более полному выгоранию нитратов, что создает условия формирования кристаллического оксида алюминия при меньшем ф.
По данным РФА, установлено, что Al2O3, синтезированный с помощью G, независимо от соотношения нитратов к глицину находится в рентгеноаморфном состоянии. При дополнительной термообработке синтезированного продукта (Т=900°С, время выдержки 1-6 часов) происходит формирование низкотемпературной кристаллической модификации Al2O3. На дифрактограмме обнаружены рефлексы y-Al2O3 и небольшое количество его а-модификации (рис.
" ° . ■
■ - корунд
о - v-AM)i
1). Если в качестве горючего применяли мочевину (U) на дифрактограммах идентифицируется кристаллическая фаза - Al2O3 в орторомбической модификации. Повышение содержания U в реакционной смеси приводит к изменению модификации кристаллов Al2O3 и наряду с орторомбической структурой (при ф=1) начинает образовываться a-Al2O3.
Результаты СЭМ (рис. 2) позволяют *
засвидетельствовать влияние природы топлива на морфологию получаемых образцов. На рисунке представлены микрофотографии для стехиометрических составов G/N и U/N. Видно, что образец, синтезированный с U, имеет частицы неправильной формой с широкими толстостенными каналами, если применяли G, то образовывалась пористая пенообразная структура с тонкостенными каналами.
Размер среднего размера кристаллитов был рассчитан по формуле Селякова-Шеррера. Установлено, что применение в качестве топлива G позволяет получать
L'orund
1 1 1 1 gamma AI
10
20
30
40
30
60
70
80
2 - 4 часа; 3 - 6 часов.
Рис.2. Микрофотографии Al2O3 (ф=1): (а) - U/N; (б) - G/N.
Рис.1. Дифрактограммы Al2O3
(ф=1) топливо - G, температура -
кристаллиты размером 45±5 нм. Если же ППАОл ъ i i
^ ir 900°С. Время выдержки: 1 - 1 час;
использовать U, то возможно синтезировать
более мелкие частицы порядка 30 нм.
Следует отметить, что в этом случае с
увеличением значения ф размер
кристаллитов уменьшается с 36 до 25 нм.
Проведенное исследование позволило
сделать следующие выводы:
1. С помощью метода SCS возможно получение относительно чистого наноразмерного AbO3.
2. Установлено, что размер кристаллитов зависит от природы топлива и молярного соотношения окислителя к топливу.
3. С помощью изменения вида топлива и ф возможно формирования наноразмерного Al2O3 заданной структуры и морфологии.
Список литературы:
1. Евстегнеев, В. В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Современные проблемы. // Ползуновский вестник. - 2005. - №4-1. - C. 21-35.
2. Мешанов, А. Г. О самораспространяющемся высокотемпературном синтезе / А. Г. Мешанов, А. Е. Сычев // Рос. акад. наук. Ин-т структур. макрокинетики и проблем материаловедения. - Черноголовка: Изд-во ИСМАН, 1989. - С. 91.
3. Solution Combustion Synthesis of Nano-Crystalline Alumina Powders / S. Saket [et al]. // Journal of Materials Science and Engineering. - Vol. 4, № 8. - 2010. - P. 80-84.
