Введение к работе
Актуальность темы. Одна из задач физики конденсированного состояния - создание и исследование новых материалов с запрограммированными свойствами и совершенствование методик их измерения. Перспективным методом решения этой задачи является использование наноструктур - частиц размерами порядка 1-100 нм. Интерес к наночастицам, в том числе к материалам на их основе, обусловлен специфическим набором свойств, характерным для наноразмерного состояния. Металлсодержащие наночастицы склонны к агломерации, поэтому в последнее время все большее развитие получили методы стабилизации наночастиц на поверхности микрогранул, размеры которых доходят до нескольких микрометров. Значительный интерес исследователей направлен на использование в качестве носителей синтетических высококремнеземных цеолитов семейства ZSM благодаря их уникальным структурным и адсорбционным свойствам. Физические свойства таких систем, связанные с явлениями электропереноса, определяют возможности практического использования этих материалов в качестве катализаторов принципиально новых процессов. В данных системах, важную роль приобретает влияние матрицы носителя на электронные свойства малых металлических и полупроводниковых частиц, находящихся на его поверхности.
Целью работы являлось исследование структуры и электрических свойств материалов на основе высококремнеземных цеолитов (ВКЦ) типа ZSM-5, содержащих на поверхности нанопорошки (НИ) Си, Fe или полупроводниковые частицы СиО, БегОз. Изучение особенностей взаимодействия нанообъектов с матрицей.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи: о определение структурных и морфологических характеристик нанопорошков Си, Fe и их оксидов, высококремнеземных цеолитов, синтезированных с различными структурообразующими добавками; о исследование структурных изменений высококремнеземных цеолитов при модифицировании нанопорошками металлов и полупроводников методом механического смешения; о определение влияния цеолитной матрицы на термические свойства
наночастиц металлов; о изучение удельной проводимости и диэлектрической проницаемости систем «цеолит-нанопорошки» и выявление концентрационных зависимостей свойств.
Объектами исследования являлись синтетические высококремнеземные цеолиты модифицированные нанопорошками железа, меди и их оксидами методом механического смешения. Научная новизна.
Исследованы структурные особенности высококремнеземных цеолитов, содержащих на поверхности изолированные друг от друга наночастицы Си, Fe, СиО, Fe203.
Впервые установлено электроноакцепторное воздействие
высококремнеземных цеолитов, приводящее к образованию электрон-дефицитных наночастиц металла на его поверхности и повышению их устойчивости к окислению.
Впервые установлена зависимость электрофизических свойств цеолитсодержащих материалов от концентрации наночастиц и температуры.
Научные положения, выносимые на защиту:
Модифицирование кристаллов высококремнеземных цеолитов нанопорошками металлов Fe, Си и их оксидами методом механического смешения приводит к уменьшению степени кристалличности цеолитов, способствует увеличению микропористости и уменьшению мезопористости по сравнению с кристаллами исходных цеолитов.
При нанесении наночастиц на цеолитную матрицу их устойчивость к окислению возрастает: по сравнению с исходными нанопорошками увеличивается температура начала окисления, уменьшается скорость окисления. Температура начала окисления и температурный интервал, в котором наблюдается увеличение массы за счет окисления нанопорошков металлов, зависит от типа цеолитной матрицы и вида металла.
Электрофизические свойства модифицированных цеолитов
определяются как цеолитной матрицей, так и модифицирующими добавками. Определяющим является тип матрицы: так проводимость цеолитов на основе гексаметилендиамина превышает проводимость карбамидных цеолитов в 2,5 - 3 раза. Модифицирующие нанопорошки меди и железа увеличивают электропроводность высококремнеземных цеолитов, при этом энергия активации в высокотемпературной области уменьшается. Наличие модифицирующего агента увеличивает диэлектричекую проницаемость.
Практическая значимость.
Проведенные в работе экспериментальные исследования открывают новые практические возможности для создания перспективных нанокомпозиционных материалов и целенаправленного варьирования их физических свойств (величины диэлектрической проницаемости, удельной проводимости и термостабильности). Полученные данные могут быть использованы при создании катализаторов, содержащих в качестве активного компонента малые частицы металлов или полупроводников.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на китайско-российском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Харбин, КНР, 2010), азиатской школе-конференции по физике и технологии наноструктурных материалов (Владивосток, 2010, 2011), X региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011), XII региональной научно-практической конференции «Молодежь XXI века: шаг в будущее» (Благовещенск, 2011), Амурской межвузовской научно-практической конференции «М.В. Ломоносов - великий русский ученый энциклопедист» (Благовещенск, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 статей в реферируемых научных журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 144 страницы, включая 42 рисунка и 15 таблиц. В списке использованных источников содержится 158 наименований.
