Физико-химические методы получения нанопорошков

Один из методов, широко применяемых для производства нанопорошков — вакуумное осаждение. Процесс включает три последовательные стадии: испарение вещества, его транспорт к подложке и конденсацию. Тигель с расплавом материала (металла или оксида), разогретого до высокой температуры лазерным излучением, пучком электронов, постоянным или вихревым током, помещается в вакуумированный сосуд. Если испаряемый материал проводит ток и при этом без плавления может обеспечить достаточно высокое давление паров, из него делают проволоку, служащую при пропускании тока источником атомов.

В процессе химического вакуумного осаждения исходный реагент испаряют, и затем он диффундирует к нагретой подложке. На ее поверхности он разлагается и ли реагирует с парами второго реагента. Нелетучий твердый продукт реакции формирует поверхностные наноструктуры, а побочные летучие продукты удаляются. Процесс могут катализировать частицы переходных металлов — Fe, Ni или Co. Этим методом получены наночастицы Fe₂O₃, TiO₂, SiC и некоторые другие.

При лазерной абляции материал испаряется под действием импульсного лазерного излучения и затем конденсируется в виде частиц. Специфика

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ НАНОМП

лазерного нагрева ярко проявляется при облучении твердой мишени, погруженной в жидкость. В этом случае закономерности диспергирования материала существенно изменяются. В первую очередь это вызвано тем, что наночастицы образуют коллоидный раствор, вследствие чего могут вернуться в лазерный пучок и повторно подвергнуться облучению.

Закономерности лазерной абляции наночастиц и объемного материала существенно отличаются. В металлических наночастицах, размеры которых меньше длины свободного пробега электронов, возникают коллективные колебания электронного газа на плазменной частоте. В спектрах растворов таких частиц возникает плазмонная полоса поглощения. Для большинства металлов она лежит в УФ области, а для Au, Ag и Cu — в видимой области спектра. Частицы интенсивно поглощают излучение на плазменной частоте, плавятся и локально испаряют окружающую их жидкость. Неравномерное распределение давления паров жидкости вызывает повторное дробление капель расплава. В результате лазерное облучение коллоидного раствора приводит как к измельчению частиц, так и к изменению их распределения по размерам.

Лазерной абляцией в жидкостях получают наночастицы благородных металлов и их сплавов, Ti, Zn, Cu, Co, Ni, оксидов CuO, ZnO, полупроводников CdS, ZnSe и других веществ.

Другой вариант применения метода состоит в том, что готовится «холодная» смесь реагентов, в которой скорость образования целевого вещества мала. Затем этот раствор нагревается до температуры, при которой образуется целевой продукт с концентрацией, достаточной для нуклеации. После быстрой и интенсивной нуклеации концентрация падает и дальше происходит только рост образовавшихся частиц. Во время роста поддерживается температура, при которой скорость образования целевого вещества ниже скорости его кристаллизации.

Размером, формой и степенью кристалличности наночастиц, образовавшихся в золь-методе, можно управлять, варьируя температуру и соотношение концентраций исходных реагентов и стабилизатора. Для остановки роста частиц во всех случаях обычно достаточно быстро охладить реакционную смесь. Чтобы выделить наночастицы, добавляют осадитель — растворитель, смешивающийся с реакционной системой, но плохо растворяющий «защитные оболочки» наночастиц и потому дестабилизирующий суспензию. В результате наночастицы осаждаются в виде порошка, который отделяют центрифугированием. Золь-метод позволяет получать практически монодисперсные наночастицы различных полупроводников и металлов.

Для синтеза нанодисперсных порошков тугоплавких металлов и их соединений (карбидов, нитридов и др.) перспективен плазмохимический метод, представляющий собой восстановление металлов из их соединений под действием газов. В плазмотроне электрической дугой высокой интенсивности создается плазма с температурой 4000-10000 °С. В плазме, через которую пропускают газообразный восстановитель (водород или углеводороды и конвертированный природный газ), исходный материал превращается в конденсированную дисперсную фазу. Таким методом получают порошки тугоплавких металлов W, Mo, Ni.

Восстановление — один из наиболее дешевых методов, позволяющих получать высокочистые порошки. Несколько более дорог электролитический метод. Применяется электролиз как водных растворов, дающий порошки Fe, Cu, Ni, так и расплавов солей Ti, Zr, Nb, Ta, Fe, U. В результате электролиза обычно образуются частицы дендритной формы с размерами порядка десятков нм.[2]

Практическая работа:

Цель работы: синтезировать в водном растворе сферические наночастицы золота и исследовать их свойства в качестве электролитного сенсора, ознакомиться с основными понятиями метода абсорбционной спектроскопии и изучить оптические свойства растворов синтезированных наночастиц.

Применяемое оборудование: магнитная мешалка с подогревом MR Hei-Standard, спектрофотометр Т-70+.

Стеклянная химическая посуда: термостойкий стаканчик на 100 мл, стаканчик на 50 мл – 2 шт., пипетки на 2 и 5 мл, стеклянный пузырек с крышкой на 50 мл, пробирки – 4 шт., магнитик в термостойкой оболочке.

Растворы: дистиллированная вода, 0,001 М раствор HAuCl4, 1%-ный раствор цитрата натрия (Na3C6H5O7), 1М раствор NaCl, 1М раствор сахара.

Порядок выполнения работы:

Дата добавления: 2015-07-24