Синтез и физико-химические свойства наночастиц железа в мезопористых кремнезёмных матрицах Арбенин, Андрей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Одним из важнейших направлений химического синтеза новых твердых веществ и материалов является получение наночастиц с заданными физическими, химическими и структурными параметрами для создания на их основе функциональных материалов. Помимо сложностей, возникающих при создании любых нанообъектов, таких как высокая химическая активность, склонность к агрегации, синтез нанообъектов с заданными свойствами затруднён особой сложностью методов регулирования их функциональных характеристик, так как зачастую они значительно отличаются от параметров массивных объектов.

Особое место среди нанообъектов занимают наночастицы металлов в силу специфических химических и физических свойств. Одним из путей получения наночастиц металлов является синтез в так называемых "нанореакторах". Обычно в качестве нанореакторов используются наноразмерные поры твёрдой матрицы или обратные мицеллы. Данный подход позволяет ограничивать рост частиц в определенном диапазоне. Синтез наночастиц в порах твёрдой матрицы приводит к созданию нанокомпозиционного материала. Данные объекты весьма интересны для ряда практических задач, так как введение наночастиц металлов в поры различных материалов позволяет регулировать функциональные свойства получаемых наноматериалов. Так в случае создания массива магнитных наночастиц в твёрдой матрице возможно применение данных материалов в качестве магнитных сорбентов, транспортных частиц для лекарственных препаратов, магнитных носителей информации. Значительный интерес представляет создание ферромагнитных наночастиц в мезопористых матрицах, поскольку они имеют расстояния между центрами пор от единиц до десятков нанометров, это позволяет считать, что создание на их основе композиционных магнитных материалов для записи информации могло бы значительно повысить ёмкость запоминающих устройств в силу малой площади, требуемой для хранения бита, и высокой упорядоченности.

Работа выполнена при финансовой поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, конкурс № НК-282П, контракт № П578 "Получение ферромагнитных наноматериалов на основе мезопористых матриц" и гранта РФФИ № 09-03-12165-офи_м (2009-2010г.) "Разработка научных основ получения нового класса наноструктурированных магнитных материалов методом химической сборки на основе формирования на матрицах пространственно-упорядоченных массивов магнитных наночастиц металлов с контролируемыми размерами".

Цель работы состоит в разработке метода синтеза наночастиц железа в мезопористых кремнезёмных матрицах, определения структуры и физико- химических параметров получаемых композиционных материалов в зависимости от геометрии матрицы и условий синтеза, разработка путей регулирования их магнитных свойств.

Научная новизна:

1 Предложен новый многостадийный метод синтеза наночастиц железа в каналах мезопористого кремнезёма включающего стадию пропитки, удаления избытка прекурсора металла с поверхности исходной матрицы и восстановления водородом. Данный подход позволяет предотвратить неконтролируемый рост частиц на поверхности зёрен матрицы, что подтверждено сравнительным анализом поверхности при помощи сканирующей электронной микроскопии.

1. Выявлена взаимосвязь радиуса пор исходной матрицы и коэрцитивной силы образцов SBA-15 модифицированных наночастицами железа. При этом ход зависимости этих параметров сходен с начальным участком кривой зависимости коэрцитивной силы сферических наночастиц железа от их диаметра. Это позволяет заключить, что радиус пор SBA-15 пропорционален радиусу получаемых в них частиц железа.

2. Разработана методика тонкого регулирования радиуса пор и расстояния между ними в мезопористых кремнезёмах с цилиндрическими открытыми порами на основе газофазного синтеза алюмокислородных монослоев методом молекулярного наслаивания.

3. Предложена формула для определения радиуса гексогонально упорядоченных цилиндрических пор мезопористых кремнезёмов с нанесёнными алюмокислородными монослоями, использующая в качестве входных параметров межплоскостное расстояние и удельную пористость.

4. Разработан метод стабилизации химического состояния наночастиц железа в порах мезопористых матриц, контактирующих с атмосферой, на основе адсорбции гексана.

5. Разработан метод быстрого увеличения радиуса пор SBA-15 путём автоклавирования геля, частично сепарированного от маточного раствора.

Практическая значимость:

5. 1. В данной работе установлены основные закономерности синтеза наночастиц железа в одномерных твердотельных нанореакторах (поры SBA-15), которые могут быть использованы для целенаправленного получения магнитных нанокомпозитов^ВА-15/Ре).

   2. Полученные в ходе работы наночастицы железа в матрице мезопористого кремнезёма проявляют ферромагнитные свойства при комнатной температуре (с₁о=21,9-51 Ам /кг, H_c=14-64 Э) и характеризуются большой плотностью частиц (6,1*10-1,5*10 частиц/см²)

   и высокой их упорядоченностью, обусловленной структурированностью матрицы. На основе полученных результатов можно говорить о том, что разработанные подходы к созданию систем SBA-15/Fe могут быть использованы для разработки сред сверхплотной записи информации для современных магнитных носителей информации.

   5. 3. Методики изменения геометрических параметров кремнезёма SBA-15, разработанные в ходе данной работы, могут быть применены для регулирования радиуса пор и толщины стенок, их разделяющих, кремнезёмных матриц, используемых для создания композиционных наноматериалов.

      4. Материалы, изложенные в данной работе, используются при постановке задач практикума «Синтез и исследование неорганических веществ и материалов» на 4 курсе бакалавриата СПбГУ по образовательной программе 020300 «Химия, физика и механика материалов»

      Положения, выносимые на защиту:

      5. 4. 1. Разработан новый метод синтеза наночастиц железа в кремнезёме SBA-15, включающий этап селективного удаления прекурсора с поверхности глобул матрицы, позволяющий получать частицы исключительно в порах матрицы

            2. Предложен метод тонкого регулирования радиуса пор и разделяющих их стенок толщины стенок в мезопористых кремнезёмах на основе нанесения на стенки пор алюмокислородных монослоёв методом молекулярного наслаивания. Предложена формула расчёта пор получаемой матрицы, использующая в качестве входных параметров межплоскостное расстояние и удельную пористость.

            3. Установлена взаимосвязь геометрических параметров матрицы, используемой для синтеза наночастиц железа, и магнитных свойств получаемого на её основе наноматериала SBA-15/Fe. При этом ход зависимости коэрцитивной силы от радиуса пор матрицы сходен с начальным участком кривой зависимости коэрцитивной силы сферических наночастиц железа от их диаметра. Это позволяет заключить, что радиус пор SBA-15 пропорционален радиусу получаемых в них частиц железа.

            4. Предложен метод стабилизации химического состояния наночастиц железа в порах SBA-15, имеющих контакт с атмосферой, посредством газофазной обработки парами гексана.

            Апробация работы и публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, из них 4 статьи и 5 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.

            Личный вклад автора. Основная часть работы, изложенная в диссертации, выполнена автором самостоятельно. Она включает в себя планирование работы, разработку методик синтеза, получение и интерпретацию экспериментальных данных, формулировку цели, задач и выводов данной работы, написание и публикацию статей.

            Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, включает 51 рисунок, 10 таблиц и 113 библиографических ссылок.

            Похожие диссертации на Синтез и физико-химические свойства наночастиц железа в мезопористых кремнезёмных матрицах

            

            Синтез и физико-химические свойства радиопоглощающей композитной керамики на основе продуктов переработки лейкоксенового концентрата Николаенко Ирина Владимировна

            

            Синтез и физико-химические свойства твердых растворов LiFeyTixMn2-x-yO4 (0Zx, yZ1) со структурой шпинелиМатейшина Юлия Григорьевна

            

            Синтез и физико-химические свойства дисперсных порошков на основе La1-xAgyMnO3+ для применения в магнитной гипертермииМаркелова, Мария Николаевна

            

            Синтез и физико-химические свойства манганитов RBaMn2O6 (R = Pr, Nd, Sm) с упорядочением катионов A-подрешеткиКалитка, Владислав Сергеевич

            

            Синтез и исследование физико-химических свойств металлофталоцианинов для оптоэлектронных изделийЗиминов Андрей Викторович

            Синтез диборида титана в медной матрице и разработка композиционных материалов на основе системы TiB -CuДудина Дина Владимировна

            Синтез диборида титана в медной матрице и разработка композиционных материалов на основе системы TiB_2-CuДудина Дина Владимировна

            

            Синтез диборида титана в медной матрице и разработка композиционных материалов на основе системы TiB_2-Cu Дудина Дина Владимировна

            

            Наноуглерод шунгитов : структурные и физико-химические свойства, механизмы активацииРожкова, Наталья Николаевна

            Равновесие дефектов и физико-химические свойства манганита CaMnO3 и твердых растворов на его основеГолдырева, Екатерина Ильинична