Проведение эксперимента

Формирование наночастиц металлического никеля изего гидроксида

Аннотация

Металлическиенанопорошки никеля были получены восстановлением в токе водорода гидроксидов, осажденных при различных начальных условиях.

Для исследования полученных образцов использовались методы рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

На основании полученных данных предложена модель строения агрегата Ni(OH)₂, после осаждения, проведена оценка количества частиц гидроксида никеля, необходимого для формирования одной наночастицы никеля и предложена модель ее формирования.

Введение

В последнее десятилетие одной из наиболее перспективных областей научных исследований остается получение [1 – 5, 5а] и использование наноматериалов [6 – 10] в силу их уникальных свойств, обусловленных малым размером структурных составляющих.Наноразмерные материалы с различной морфологией (частицы, пленки, трубки) востребованы в таких активно развивающихся видах человеческой деятельности, как микроэлектроника, медицина, катализ, энергетика и др. [11 – 14, 14а, 14б, 14в].

Наноразмерныепорошки на основе никеля находят применение в различных областях техники за счет хороших каталитических, магнитных и трибологических свойств.Наночастицы никеля используются в качестве присадок к моторным маслам [15], в системах записи и хранения информации [16], для создания постоянных магнитов [17], в системах магнитного охлаждения [18], а также в катализе [19 – 20].

Несмотря на то, что металлические наночастицы являются объектами исследования уже на протяжении многих лет, нельзя однозначно сказать, что процессы, происходящих при их формировании, изучены и описаны в полном объеме. Также до сих пор существует проблема управления дисперсностью и формой частиц, несмотря на большое число методов получения нанопорошков.

Одной из важнейших проблем управления дисперсностью наноматериалов является отсутствие понимания механизма формирования новой фазы. В случае металлическихнанопорошков, чаще всего, в процессе восстановления.

Для описания механизма формирования фазы металла в ходе восстановления наиболее распространенной является модель «сжимающегося ядра» /А, Б/. Согласно данной модели зона химической реакции фронтально перемещается вглубь исходной фазы.Восстановление начинается на поверхности частицы, и до тех пор, пока внешний слой полностью не превратится в соответствующие продукты реакции, внутренние участки материала в реакцию не вступают. Постепенно зона химической реакции продвигается вглубь частицы, оставляя за собой твердые продукты реакции. В частности, при восстановлении это могут быть низшие оксиды и собственно металл.Таким образом, внекоторый произвольный момент восстановления частица представляет собой внутреннее ядро исходного вещества, окруженное одной или несколькими оболочками продуктов реакций.

Таким образом, целью данной работы определение механизма формирования дисперсности наночастиц никеля ?влияние дисперсности исходного гидроксида ….

являлось изучение дисперсности и морфологиинаноразмерного гидроксида никеля, полученного методом химического осаждения,ивосстановленного из него металла

Проведение эксперимента

Исходными материалами для получения гидроксида никеля служили 6-водный азотнокислый никель (II) и щелочь NaOH (производитель, марки).

При получении образцов гидроксида никеля методом химического осаждения [21]варьировались следующие параметры: температура, кислотность среды и тип отмывки. Термостатирование (чем ?) проводилось при температурах 15, 20, 30 и 45 ^оС, значения pHизменялись в пределах 8 – 10 (чем контролировали, прибор, электрод). Отмывка проводилась двумя способами: центрифуга (центрифугирование с последующим диспергированием в дистиллированной воде с использованием высокоинтенсивного ультразвукового воздействия и последующего центрифугирования) идекантация.На одном из образцов с целью разбиения агрегатов в процессе осаждения проводилась дополнительно ультразвуковая обработка (чем, с какой частотой/амплитудой).Как, чем, на чем, при какой температуре, сколько по времени проводили сушку полученных гидроксидов

Образцы металлического никеля были получены из гидроксидов никеля при различных температурах (200, 220, 280 ^оС) и времени восстановления (15, 30, 45, 60, 90, 120 минут). Схема получения нанопорошка никеляпредставлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема получения нанопорошка никеля

Условия синтеза образцов и их обозначения представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Условия синтеза образцов гидроксида никеля и никеля

Фазовый состав порошков до и после восстановленияисследовался на рентгеновском дифрактометре «Дифрей-401» фирмы ЗАО «Научные приборы»[С.Е.А.1] (На англ. ЯзыкеJointStockCompanyScientificInstruments) наCr_kαизлучении.Размерыобластейкогерентногорассеиваниярассчитывалисьдляплоскостей (100) и (101) гидроксиданикеляпоформулеШеррера.

Анализ микроструктуры и морфологии полученныхобразцов проводился на просвечивающем электронном микроскопе «LEO 912 AB»(Zeiss)и сканирующем микроскопе «TescanVega 3».

Методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе «NOVA 1200e»(Quantachromeinstruments) были получены значения удельной площади поверхности для всех образцов гидроксида никеля.Размер агрегатов из экспериментальных данных в предположении их сферичности рассчитывался по формуле (1):

(1)

где D – диаметр агрегата, м;

ρ – плотность гидроксида никеля, кг/м³;

S_уд – удельная площадь, м²/кг.

Проверка соответствия дисперсных характеристик, полученных методом электронной микроскопии и удельной поверхности, проводилась, исходя из цилиндрической формы частиц, по следующему соотношению:

(2)

где S_уд – удельная площадь, м²/г;

d – диаметр основания цилиндра, м;

h – высота цилиндра, м;

ρ – плотность, кг/м³.

Оценка количества пластин гидроксида никеля Nв агрегате проводилась по формуле (3):

(3)

где D – диаметр агрегата, м;

d – диаметр пластины, м;

Съемка ИК-спектров производилась на спектрометре «ThermoNicolet 380» с приставкой для реализации метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) SmartiTR с алмазным кристаллом. Каждый спектр получался путем усреднения 32 проходов зеркала спектрометра. Спектр сравнения снимался перед съемкой каждого образца

Химическое и электронное состояние атомов в образцах определялось нарентгеновском фотоэлектронном спектрометре«PHI5500VersaProbeII». Источник возбуждения – монохроматизированноеAl Kα излучение (hν = 1486,6 эВ), мощность –50 Вт.Энергия связи фотоэлектронной линии O1s определяласьпо спектрам высокого разрешения, снятым при энергии пропускания анализатора 23,5 эВ и плотности сбора данных 0,2 эВ/шаг. Аппроксимацию спектров выполняли нелинейным методом наименьших квадратов с использованием функции Гаусса-Лоренца. Шкала энергий связи, калибровалась по энергии связи спектра С1s адсорбированных углеводородов – 285,0 эВ. Погрешность определения энергий связи составляет ± 0,3 эВ.