научная статья по теме НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ, ЗАПОЛНЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ Химия

Текст научной статьи на тему «НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ, ЗАПОЛНЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 8, с. 914-922

УДК 535.37+546.05

НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ, ЗАПОЛНЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ © 2015 г. С. Н. Ивичева*, Ю. Ф. Каргин*, В. С. Горелик**

*Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва

e-mail: yu.kargin@rambler.ru **Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва

e-mail: gorelik@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 25.12.2014 г.

Разработан метод получения трехмерных фотонных кристаллов на основе упорядоченных опаловых матриц (ОМ), в поры которых введены наночастицы металлов подгруппы железа (М — Ni, Co, Fe). Метод основан на восстановлении солей и оксидов этих металлов сверхкритическим изопропано-лом. Фазовый состав композитов ОМ/М зависит от состава исходных солей (нитратов или хлоридов): при использовании хлорного железа в ОМ формируются наночастицы твердых растворов на основе никеля или а-, ß-кобальта (системы Ni—Fe и Co—Fe); из соответствующих нитратов формируются нанокомпозиты ОМ/NiCo (кубический твердый раствор), ОМ/Fe, ОМ/NiзFe, ОМ/NiFe, ОМ/CoFe, ОМ/NiCoFe. Получены спектры отражения широкополосного излучения от поверхности (111) синтезированных фотонных кристаллов с использованием волоконно-оптической техники регистрации спектров отражения. Обнаружено длинноволновое смещение положения максимумов интенсивности в спектре отражения (стоп-зоны) нанокомпозитов ОМ/М (Fe, Co, Ni).

DOI: 10.7868/S0002337X15070088

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время активно развивается область нанотехнологий, связанная с получением и практическим использованием пространственно упорядоченных трехмерных наноструктур — трехмерных фотонных кристаллов [1—5]. Типичными примерами такого рода наноструктур являются опаловые матрицы (ОМ) (искусственные опалы/ОМ), построенные из плотно упакованных глобул аморфного кварца (кремнезема) размером 200—600 нм. Кристаллическая структура такого рода глобулярных ФК относится к гранецентри-рованной кубической решетке. При плотной упаковке сферических наноглобул в ОМ формируются поры (пустоты), имеющие тетраэдрическую и октаэдрическую форму. Доля объема пустот в ОМ составляет около 0.26. Относительные радиусы (по сравнению с радиусами глобул 8Ю2) сферических наночастиц, которые могут быть введены в поры ОМ, составляют 0.23 и 0.41 для тетраэдрических и октаэдрических пор соответственно.

В поры глобулярных ФК могут быть введены различные вещества. Наиболее просто это осуществляется в результате пропитки искусственных опалов жидкостями, смачивающими кварц: водой, спиртами, ацетоном и др. При использовании насыщенных растворов солей или ароматических соединений в таких жидкостях с последующим выпариванием растворителя в порах ОМ осаждаются соответствующие соединения: соли, ароматические вещества и т.д. [6]. Существенно

более сложная задача возникает при попытке введения металлов или оксидов в поры ОМ [7]. Наночастицы металлов подгруппы железа получают разными методами: термолизом металлорганиче-ских соединений [8—10], электрохимическим [11] и химическим осаждением [12, 13], в коллоидно-химических системах с обратными мицеллами как микро- и нанореакторами [14, 15], которые могут использоваться для введения в мезопори-стый диоксид кремния. В частности, наночасти-цы никеля в мезопористый диоксид кремния можно ввести, используя неорганические и органические соли (нитраты, сульфаты, хлориды, бромиды, аминохлориды и аминонитраты никеля, а также ацетат, ацетилацетонат и цитрат никеля) [16]. Нанонити N1 в каналах анодированного оксида алюминия формируют электрокристаллизацией металла при постоянном потенциале [17]. Кобальтсодержащие нанокомпозиты получают, используя карбонил кобальта и различные соли: (Со2(СО)8, Со^03)2, Со(Ас)2); внедрение кобальта осуществляется введением кобальтсодержащих соединений или готовых наночастиц металла на стадии синтеза мезопористой матрицы путем ее пропитки растворами солей с последующим восстановлением в жидкой фазе [18]. Магнитные на-нокомпозиты, содержащие нитевидные наноча-стицы железа и оксида железа в матрице мезопо-ристого диоксида кремния, получают введением пентакарбонила железа, ацетилацетоната или цитрата железа в гидрофобную или гидрофильную

часть мицелл композита "8Ю2/темплат" с последующей кристаллизацией в токе водорода при 250—700°С [19]. Наночастицы твердых растворов Fe—Co и Fe—Ni получают восстановлением растворов их солей гидразингидратом в щелочной среде [12, 20, 21], а наночастицы FeNi3 синтезированы гидротермальным методом [22]. Получены также монодисперсные сферические частицы железа [23], дендриты Co [20] и тетраподы магнетита [24], многослойные структуры FeCo [25] и биметаллические частицы, устроенные по типу ядро/оболочка [26].

Известны способы введения в поры искусственных ОМ жидких металлов при высоких давлениях и температурах магнетронным распылением [27], ультразвуковым [28] или лазерным [29] воздействием, а также при химическом осаждении [8, 30] и электролизе [31]. При этом как правило удается осуществить введение вещества лишь в тонкий слой приповерхностной области ОМ.

В [32—35] развит метод введения тугоплавких металлов и оксидов в поры глобулярных ФК восстановлением соответствующих солей, находящихся в ОМ, спиртами в сверхкритическом (СК) состоянии. Экспериментальные исследования [32—35] показали, что взаимодействие спиртов, находящихся в СК-состоянии, с солями и оксидами носит восстановительный характер, что обеспечивает формирование наночастиц тугоплавких металлов или оксидов внутри пор ОМ.

Как известно, главным свойством ФК является наличие в них стоп-зон, приводящих к аномальному отражению от поверхности трехмерного ФК электромагнитного излучения в спектральной области, соответствующей положению стоп-зоны. При типичных размерах глобул искусственных опалов (200—400 нм) стоп-зоны глобулярных ФК находятся в видимой области спектра.

В работах [5, 36, 37] была развита эффективная методика для выявления спектра стоп-зон ФК с высоким пространственным разрешением, основанная на использовании волоконно-оптической техники. При этом осуществляется локальный анализ спектров отражения широкополосного излучения от поверхности (111) трехмерного ФК при нормальном падении излучения на эту поверхность и 180-градусной геометрии для отраженного от этой поверхности излучения. В таком эксперименте при использовании в качестве источников широкополосного излучения галогенной или дей-териевой ламп устанавливаются характеристики первой и второй стоп-зон для кристаллографического направления [111] трехмерного ФК.

В данной работе ставилась цель создать новые типы нанокомпозитов на основе ОМ, заполненных наночастицами тугоплавких металлов подгруппы железа (М — Ni, Co, Fe) восстановлением соответствующих солей или оксидов спиртами в

СК-условиях [32—35], а также получить спектры отражения широкополосного излучения от поверхности (111) ФК с использованием волоконно-оптической техники регистрации спектров отражения, развитой в работах [5, 36, 37], для установления характеристик стоп-зон в созданных нанокомпозитах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез композитов на основе ОМ и наночастиц металлов подгруппы железа. В качестве исходных реактивов для приготовления растворов, вводимых в ОМ, использовали кристаллогидраты Ni(NO3)2 ■ 6H2O ("ч. д. а."), Co(NO3)2 ■ 6H2O ("ч. д. а."), Fe(NO3)3 ■ 9H2O ("ч. д. а.") и FeCl3 ■ 6H2O ("ч. д. а."). Нанокомпозиты ОМ/М представляли собой ОМ, состоящие из сферических глобул SiO2, в порах которых присутствовали наночастицы 3d-металлов (Fe, Co, Ni, их двойные и тройные комбинации — сплавы и твердые растворы), синтезированные согласно методике [32—35]. Описание процесса синтеза ОМ, содержащих наночастицы различных металлов, приведено ранее [38]. Синтезированную ОМ, состоящую из монодисперсных сферических частиц (глобул) диоксида кремния размером 270—280 нм, пропитывали водно-спиртовыми концентрированными (50%-ными) растворами солей (нитратов и хлоридов) Co, Ni, Fe (III) и смешанными растворами солей металлов подгруппы железа в различных соотношениях для бинарных систем Co : Ni, Co : Fe, Ni : Fe и в тройной системе Co : Ni : Fe(1 : 1 : 1). Полученные образцы высушивали при комнатной температуре (?к) и подвергали термической обработке по заданному режиму при 450°C. После этого образцы обрабатывали изопропанолом в СК-условиях при температурах 250—300°C и давлении порядка 10 МПа в стальных автоклавах емкостью 200 см3.

Исследование исходных матриц и нанокомпо-зитов после каждого этапа обработки проводили методом рентгенофазового анализа (РФА) на ди-фрактометре XRD 6000 Shimadzu (^Cl = 1.54184 А). Рентгенографическим методом (РГА) определяли размеры областей когерентного рассеяния (Dokp) кристаллических фаз в рентгеноаморфной ОМ по формуле Селякова—Шерера. Параметры элементарной ячейки рассчитывали с помощью экстрапо-ляционного метода наименьших квадратов. Фазовый анализ закристаллизованных образцов проводили с использованием базы данных JCPDS—ICDD (2003) [39].

Структурные особенности и размеры наноча-стиц в матрице исследовали с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронных микроскопах NVision 40 (Carl Zeiss) и JSM-7001F фирмы JEOL c микроанализаторами

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для регистрации локальных спектров отражения от поверхности (111) ОМ: 1 — источник излучения; 2, 3 — световоды; 4 — Y-образный зонд; 5 — исследуемый фотонный кристалл; 6 — диафрагма; 7 — миниспектрометр; 8 — компьютер; 9 — прозрачный переходный слой.

фирмы Oxford Instruments для локального рентге-носпектрального анализа (ЛРСА).

Волоконно-оптическая методика локального анализа спектров стоп-зон в созданных нанокомпо-зитах. В работе использовали исходные ОМ, состоящие из монодисперсных сферических частиц с диаметром глобул, близким к 270 нм. Исследования проводились с плоскопараллельными пластинами толщиной 2—4 мм при ориентации их поверхности (111) площадью = 1 см2 . Принципиальная схема используемой экспериментальной установки приведена на рис. 1. Анализ спектров проводился по схеме

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком