CC BY
181
УДК 539.3
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА
© М.В. Дорогов
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Россия, e-mail: maxim@tltsu.ru
Ключевые слова: нанопористый материал; катализатор; искосаэдрическая частица; дисклинация.
В работе описан комбинированный способ получения нанопористого материала из медных икосаэдрических частиц. Указаны области применения нанопористого материала в качестве катализатора и сорбционного материала.
К наноматериалам относят материалы, размеры основных структурных элементов которых лежат в диапазоне от 10 до 100 нм. Именно при данных размерах свойства наноматериалов (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от обычных крупнокристаллических материалов [1].
Считается, что при размерах в десятки нанометров, специфика свойств наноматериалов обусловлена квантовыми эффектами, а при размерах порядка сотни нанометров - поверхностными явлениями. Расчеты показывают, что при размерах объекта 100 нм доля поверхностных атомов в нем достигает 1 %, это верхний предел, при котором начинают проявляться поверхностные эффекты [2].
Целью данной работы является разработка методики получения материала с развитой поверхностью -нанопористого покрытия.
Ранее нами получено [3] методом электроосаждения металла широкое многообразие частиц и нитевидных кристаллов с осью симметрии 5-го порядка. Специфика этих частиц обусловлена наличием в них дис-клинаций [4].
Уже в процессе электрокристаллизации металла вблизи поверхности растущей частицы рождаются неравновесные вакансии. Экспериментальные и расчетные данные [5] показывают, что их концентрация может достигать предельно возможных значений 10-4.
Дальнодействующее упругое поле дисклинации, создающее напряжение сжатия в центре частицы и напряжение растяжения на периферии, способствует дрейфу вакансий от ее поверхности к центру. Скорость дрейфа вакансий к центру частицы определяется формулой [6]:
V )_ Ду0 СРЮ(1+у) 1, (1)
2 п къТ (1 -V) г
где Ду - локальное изменение объема, вызванное образованием вакансий; къ - постоянная Больцмана;
Р - коэффициент диффузии вакансий в объеме материала при температуре Т; Т - температура.
В процессе дрейфа вакансий от периферии к центру под действием дальнодействующих полей напряжений
от дисклинации будут образовываться нано- и микропо-ры в объеме растущей икосаэдрической частицы, причем уже в процессе электрокристаллизации металла.
Суммарный объем нано- и микропор зависит от отношения D/T [6], поэтому повышение температуры активизирует диффузионный дрейф вакансий и способствует образованию нано- и микропор, их слиянию в полость (рис. 1).
Последнее утверждение является теоретической основой методики получения нанопористого материала из металлических пентагональных частиц (икосаэдри-ческих малых частиц), полученных методом электроосаждения и имеющих микроразмеры.
Суть методики заключается в том, что с повышением температуры, когда рождение вакансий и их дрейф от периферии частицы к центру активизируется, должно наблюдаться в местах выхода дисклинации образование нано- и микропор, а при длительном отжиге ико-саэдрических частиц должно формироваться сплошное нанопористое покрытие.
Пористые материалы на основе металла в виде покрытий и пленок востребованы и необходимы для мембранной науки и техники, т. к. сочетают в себе высокую прочность, антикоррозионные свойства, стойкость к истиранию, электропроводность с селективностью, высокой проницаемостью и стабильностью их функциональных характеристик.
В данной работе излагаются физические основы комбинированной технологии получения нанопори-стых функциональных материалов (катализаторов, сорбентов, покрытий, слоев, пленок), состоящих из медных нано- и микроразмерных частиц и обладающих необычной структурой и свойствами. Такие частицы уже нами получены, а способы их получения запатентованы (патенты РФ №№ 2322532, 2324772, 2325472, 2356607, 2362680).
Сами частицы и слои из них мы получаем методом электроосаждения металла на сплошную и сетчатую стальную или титановую подложку (рис. 2, а), затем для получения нанопористых материалов, покрытий, мембран проводится специальная термообработка, при которой частицы спекаются, теряют огранку, на их поверхности образуются нанопоры (рис. 2, б), на сплошной или сетчатой подложке формируется нано-пористый материал, который можно использовать в
5 мкм
а)
Рис. 1. Полая икосаэдрическая частица меди после отжига
Рис. 2. Медные икосаэдрические частицы в исходном состоянии на титановой сетке (а) и нанопористое покрытие из них (б)
качестве катализатора, нанопористой мембраны, адсорбционного материала.
Медьсодержащие соединения в ультрадисперсном состоянии в качестве гетерогенных катализаторов с большой площадью удельной поверхности уже сейчас используются в разнообразных химических процессах. Например, в реакциях смещения водно-газового равновесия, реакциях дегидратации бутанола, окисления монооксида углерода и др. Катализаторы на основе меди используют в промышленном синтезе метанола, который не только является основой многих технологических процессов, но и рассматривается как экологически чистое топливо для энергетической промышленности. Медьсодержащие катализаторы могут применяться для переработки попутных нефтяных газов, проблема утилизации которых не решена до сих пор и они продолжают сжигаться на факелах месторождений, увеличивая загрязнение окружающей среды и создавая парниковый эффект.
Предварительные эксперименты показали, что функциональные нанопористые материалы в виде отдельных пентагональных частиц, имеющих развитую поверхность и нанопористость, слоев покрытий и пленок из них, обладают высокой каталитической активностью и сорбционной способностью и в дальнейшем найдут широкое применение в медицине, биологии, экологии, машиностроении и химических отраслях в качестве: катализаторов, сорбционных и фильтрующих материалов, нанопористых покрытий и пленок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta mater. 2000. V. 48. Р. 1-29.
2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005. 192 с.
3. ВикарчукА.А., Воленко А.П. Пентагональные кристаллы меди, многообразие форм их роста и особенности внутреннего строения // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 2. С. 339-344.
4. Викарчук А.А., Ясников И.С. Структурообразование в наночастицах и микрокристаллах с пентагональной симметрией, формирующихся при электрокристаллизации металлов. Тольятти, 2006. 250 с.
5. Викарчук А.А., Воленко А.П., Ясников И. С. Дефекты и структуры, формирующиеся при электрокристаллизации ГЦК-металлов. СПб., 2004. 216 с.
6. Ясников И. С., Викарчук А.А. Образование полостей в икосаэдриче-ских малых частицах, формирующихся в процессе электрокристаллизации металла // ПЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 19.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (г/к № П2382 и № П2620).
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Dorogov M.V. Way of reception of nanoporous material. The paper describes a combined method for obtaining nanoporous materials from copper icosahedral particles. The application of nanoporous materials as catalyst and sorbent material are indicated.
Key words: nanoporous material; catalyst; icosahedral particle; disclination.
