Введение к работе
Актуальность работы
В течение последних лет наблюдается устойчивое возрастание интереса к исследованиям и разработкам в области нанотехнологий и связанных с ними вопросов получения и исследования наноразмерных систем и наноматериалов. В Российской Федерации создана и реализуется национальная программа по нанотех-нологиям. Происходит формирование нового направления - нанонауки, в котором тесно переплетаются представления химии, физики, биологии, материаловедения. Изучение свойств наноразмерных материалов требует учета не только их состава и структуры, но и дисперсности [1].
Нанопорошки многокомпонентных взаимных систем триады железо - кобальт - никель (особенно Fe - Со и Fe - Ni) находят применение в самых разнообразных областях промышленности, современной техники, материаловедения, перспективны для создания из них или на их основе новых конкурентоспособных функциональных материалов, например, для использования в системах записи и хранения информации, при изготовлении миниатюрных магнитов, электродных материалов в устройствах накопления и хранения электроэнергии, в биологии и медицине [2].
В настоящее время известно много физических и химических методов получения наночастиц металлов, основными из числа последних являются термическое, фотохимическое разложение либо восстановление различных прекурсоров (солей, комплексов металлов). Высокой технологической перспективностью отличается метод получения наноразмерных и наноструктурированных металлических порошков, основанный на восстановлении соединений металлов в растворах при контролируемых условиях реакции (температура и рН реакционной смеси, соотношение концентраций реагентов). Метод обладает рядом преимуществ: препаративной доступностью, относительной простотой аппаратурного оформления, низкой энергоемкостью, возможностью масштабирования. Использование при этом в качестве восстановителя гидразина позволяет получать рентгенографически чистые наноразмерные порошки, не содержащие продукты окисления восстановителя.
Несмотря на принципиальную известность метода, работ по синтезу таким путем и системному изучению свойств наноразмерных и наноструктурированных металлических частиц немного, и к тому же значительное большинство из них имеет практико- и патентоориентированный характер.
Процесс получения многокомпонентных наноразмерных и наноструктурированных металлов химическими методами, в том числе методом жидкофазного восстановления различных прекурсоров, а также особенности свойств продуктов исследованы недостаточно; количество выполненных в этой области работ незначительно. Системные же исследования практически ограничены работами по получению и изучению наноразмерных и наноструктурированных порошков в бинарных системах (Fe - Ni, Fe - Со, Со - Ni, Ni - Си), выполненными на кафедре химии твердого тела КемГУ.
Для более сложных, в частности, трехкомпонентных наноразмерных порошков, получаемых выбранным методом, опубликованных ранее результатов в литературе не найдено.
Начало и развитие работ в этом направлении необходимо для формирования физико-химических основ материаловедения весьма перспективных в практическом отношении наноразмерных и наноструктурированных металлических систем со сложным химическим и фазовым составами.
Целью работы является комплексное изучение физико-химических свойств наноструктурированных порошков трехкомпонентной системы железо - кобальт - никель, получаемых восстановлением гидразингидратом в щелочной среде смесей водных растворов хлоридов металлов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Определить условия получения наноструктурированных рентгенографически чистых порошков Fe - Со - Ni во всей области соотношений компонентов методом восстановления гидразингидратом смесей водных растворов их солей.
-
Исследовать химический и фазовый составы продуктов восстановления прекурсоров. Построить соответствующую условиям синтеза диаграмму фазовых состояний наноструктурированной системы Fe - Со - Ni и установить основные отличия ее от фазовой диаграммы в массивном (макроразмерном) состоянии.
-
Установить морфологию частиц порошков в разных областях диаграммы фазовых состояний.
-
Определить химический состав поверхности полученных порошков, изучить характер протекающих на ней термостимулируемых процессов.
Научная новизна работы
В целом впервые химическим методом получены наноструктурированные порошки системы Fe - Со - Ni и изучены их свойства.
-
Впервые разработан и реализован способ получения рентгенографически чистых порошков системы железо - кобальт - никель во всей области составов восстановлением гидразингидратом смесей водных растворов хлоридов в сильнощелочной среде.
-
Впервые:
изучен фазовый состав и построена отвечающая условиям синтеза диаграмма фазовых состояний наноструктурированной системы железо - кобальт - никель;
установлены и обсуждены ее особенности относительно высокотемпературных срезов фазовой диаграммы этой системы (в макроразмерном состоянии);
изучены кристаллографические характеристики твердых трехкомпонентных растворов Fe - Со - Ni;
-
Впервые установлена морфология наноструктурированных частиц Fe -Со - Ni в разных областях диаграммы фазовых состояний, в том числе общая для них трехуровневая организация частиц: кристаллит - агрегат - агломерат;
-
Впервые изучен химический состав поверхности частиц Fe - Со - Ni, определен порядок и характер протекающих на ней термостимулируемых процессов.
Научная значимость
Предложенный метод и найденные условия получения рентгенографически чистых наноструктурированных порошков системы железо - кобальт - никель, а также результаты изучения основных для их аттестации физико-химических свойств с анализом особенностей в сравнении со свойствами массивных (макро-размерных) образцов являются в настоящее время единственным системным исследованием наноструктурированных порошков как в целом трехкомпонентных металлических систем, так и собственно системы Fe - Со - Ni. Работа вносит вклад в решение общей актуальной проблемы получения и изучения многокомпонентных наноструктурированных металлических систем с акцентом на анализе особенностей их свойств.
Практическая значимость
Разработан метод получения чистых (свободных от диамагнитных и неповерхностных оксидно-гидроксидных примесей) наноструктурированных порошков твердых растворов системы железо - кобальт - никель, перспективных для создания на их основе нового типа магнитных материалов.
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре химии твердого тела КемГУ при подготовке бакалавров по направлению «Химия» в лекционном курсе «Физикохимия наноразмерных частиц и наноструктурированных материалов», в цикле лабораторных работ «Спецпрактикум по химии твердого тела» для студентов химического факультета ФГБОУ ВПО «КемГУ».
Защищаемые положения:
-
Способ получения рентгенографически чистых наноструктурированных порошков системы железо - кобальт - никель восстановлением гидразингидратом смесей водных растворов хлоридов в сильнощелочной среде.
-
Соответствующая условиям синтеза диаграмма фазовых состояний нано-структурированной системы Fe - Со - Ni.
-
Морфология наноструктурированных частиц Fe - Со - Ni, в том числе трехуровневая пространственная организация их строения: кристаллит - агрегат -агломерат.
-
Химический состав поверхности, а также порядок и характер протекающих на ней термостимулируемых процессов.
Личный вклад автора заключается в синтезе объектов исследования, личном проведении экспериментов либо участии в проведении экспериментов, активном участии в планировании исследований, обсуждении полученных результатов, написании текстов научных работ и публикаций.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2011), XII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2011), VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неогранических материалов» (Москва, 2011), IV Международной конференции с элементами научной школы для молодежи
«Функциональные материалы и высокочистые вещества» (Суздаль, 2012), III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы-2012: Россия - Украина - Беларусь» (Санкт-Петербург, 2012), Общероссийской с международным участием научной конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии» (Томск, 2012), Международной молодежной конференции «Функциональные материалы в катализе и энергетике» (Новосибирск, 2012), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2012), VII Международном симпозиуме «Физика и химия углеродных материалов / Наноинженерия» (Алматы, 19-21 сентября 2012 г.), V (XXXVII) VI (XXXVIII), VII (XXXIX) международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование, наука, инновация - вклад молодых исследователей» (Кемерово, 2011, 2012, 2013); I, II конференции молодых ученых «Актуальные вопросы угле-химии и химического материаловедения» (Кемерово, 2012, 2013), V Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2013» (Звенигород, 2013), III Всероссийском симпозиуме с международным участием «Углехимия и экология Кузбасса» (Кемерово, 2013), Кузбасском международном угольном форуме (Кемерово, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 16 материалов и тезисов докладов.
Связь темы работы с планами НИР. Исследования проводились в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 гг.), соглашение № 14.В37.21.0081, и программы «У.М.Н.И.К.» (государственный контракт № 11415р/17171от 31.01.2013 г.)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 119 страниц, из них 108 страниц текста, включая 33 рисунков, 6 таблиц, 1 схему. Список литературы включает 99 наименований на 10 страницах.
