научная статья по теме НОВЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ МЕДИ Химия

Текст научной статьи на тему «НОВЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ МЕДИ»

КООРДИНАЦИОННАЯ ХИМИЯ, 2010, том 36, № 5, с. 366-369

УДК 541.64:536.4

НОВЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ МЕДИ

© 2010 г. В. М. Новоторцев1, В. В. Козлов2, *, Ю. М. Королев2, Л. В. Кожитов3, Г. П. Карпачева2

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, г. Москва 2Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, г. Москва 3Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г. Москва

*E-mail: kozlov@ips.ac.ru Поступила в редакцию 15.12.2009 г.

Получен новый функциональный материал на основе многостенных углеродных нанотрубок (УНТ), модифицированных наночастицами Cu, которые распределены в межслоевом пространстве и внутри канала УНТ. Исследованы превращения под действием ИК-нагрева в системе Cu(OOCCH3)2 • Н20—УНТ методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Установлено проникновение наночастиц CuO, Cu20 и Cu в графитоподобные слои УНТ и образование интеркалированных УНТ. Показана возможность использования интеркалирования УНТ (с помощью Cu(00CCH3)2 • Н20) для их очистки от примесных наночастиц аморфного углерода и полиароматических соединений.

Материалы на основе углеродных нанотрубок (УНТ), модифицированных наночастицами Си, являются объектами фундаментальных и прикладных исследований, так как эти композиты сочетают уникальные свойства УНТ и интеркалированных наночастиц Си (структура, проводимость, работа выхода, теплопроводность, каталитическая активность) [1— 4]. Представляет интерес механизм гетерогенных твердофазных реакций образования углеродных композитов с наночастицами Си под действием ИК-нагрева, который определяет свойства нано-композита и его компонентов [5]. Интеркаляция многослойных УНТ с помощью соединений меди — эффективный способ очистки УНТ от углеродных наночастиц и аморфного углерода [6, 7].

Цель настоящей работы — разработка метода получения нового функционального материала на основе УНТ, модифицированных наночастицами Си, исследование структуры материала методами рентгенофазового анализа (РФА) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и механизма гетерогенных твердофазных реакций, протекающих под действием ИК-нагрева в системе Си(ООССН3)2 • н2о-унт

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

УНТ получали каталитическим синтезом из газофазных продуктов пиролиза углеводородов (пропан—бутан) при 650°С на катализаторе, содержащем N1, Сг и Бе [8]. Порошок УНТ смешивали с водным раствором Си(ООССН3)2 • Н2О (в соотношении 3:1), смесь заливали в круглодонную колбу с обрат-

ным холодильником и кипятили в течение 3 сут. После удаления Н2О твердый осадок подвергали ИК-нагреву до 450°С при Р = 10-2 мм рт. ст. [5].

РФА проводили на дифрактометре ДРОН-2 с модифицированной коллимацией на отфильтрованном Си^а-излучении. Итерационным методом осуществлена деконволюция рефлекса графитоподоб-ной структуры d002 на составляющие в интервале 29 от 20° до 32° [9—11]. Линия d002 по вертикали основного максимума делится на левую и правую половины, каждая из которых состоит из двух частей, верхней (в) и нижней (1 — в). Полуширины составных частей обозначены: а (нижняя слева), Ь (нижняя справа), с (верхняя слева) и d (верхняя справа). Исследования методом ПЭМ проводили на микроскопе JEM-100 СХ11.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исходный образец УНТ представляет смесь многослойных УНТ диаметром от 12 до 100 нм и длиной около 1 мкм. По комплексу рентгенографических параметров (d002 = 3.44 А, LC = 90 А, LA = 115 А) образец УНТ имеет графитоподобную структуру на стадии графитизации, близкой к суперантрацитам А6 [9]. Микрофотография (рис. 1) и дифрактограмма (рис. 2) нанокомпозита Си/УНТ полученного при 450°С, показывают наличие наночастиц Си. По результатам ПЭМ наночастицы Си содержатся как в межслоевом пространстве, так и внутри канала (рис. 1).

НОВЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ

367

Рис. 1. Микрофотография нанокомпозита Cu/УНТ после ИК-нагрева при 450°С, выполненная методом ПЭМ.

I

0 20 40 60

29,град

Рис. 2. Дифрактограмма нанокомпозита Cu/УНТ после ИК-нагрева при 450°С.

Для изучения механизма гетерогенных твердофазных реакций под действием ИК-нагрева в системе Си(ООССН3)2 • Н20-УНТ проведен РФА образцов, полученных при 150—450°С. На ди-фрактограммах нанокомпозита, полученного при 150°С, наблюдается рефлекс й001 = 3.80 А (рис. 3а). В этом случае имеет место суперпозиция базаль-ных рефлексов слоев УНТ с расширенным меж-

слоевым пространством из-за проникновения наночастиц CuO, Cu2O и Cu в графитоподобные слои УНТ и образования интеркалированных УНТ (Int) (таблица, рис. 3).

По данным метода РФА, при повышении температуры ИК-нагрева нанокомпозита возникают следующие соединения Cu:

T, °C 150 200 250 300 350 400 450

Соединения Cu CuO Cu2O Cu2O Cu, Cu2O Cu, Cu2O Cu, Cu2O Cu

368

НОВОТОРЦЕВ и др.

0

(a) ! I

1 j \

J У 2 V\

II 1 1 1 3 1 1 1

18 20 I

22 24 26 28 30 32 29, град

II

III

20

24 28

29, град

32

Рис. 3. Дифрактограммы в интервале 20 от 20° до 32° нанокомпозитов на основе УНТ, полученных при Т = 150 (а), 450°С (б): экспериментальная (1, Ф1), расчетная (2, Ф2) и разностная (3, ЛФ). Рефлексы УНТ (I), Int (II), графит (III).

нанокомпозитов на основе УНТ, полученных при 150, 300, 350°С, определены параметры кривой Ф2(29) (а = 5.123, b = 3.596, c = 1,766, d = 1.280). В этом случае меняются только значения точки максимума линий. Для нанокомпозита Cu/УНТ, полученного при 450°С, параметры кривой Ф2(29) уменьшились (а = 3.824, b = 3.518, c = 1.092, d = 0.95; таблица), показывая совершенствование слоевой структуры УНТ. При построении разностного графика ДФ = ФКэксп)(2е) - Ф2(20) (рис. 3, 3), где Ф1(эксп)(29) — экспериментальная дифрактограмма образца (рис. 3, 1), установлено, что Int характеризуется отдельным рефлексом (d002 = 3.80 Ä: ' таблица) в нанокомпозите Cu0/УНТ, полученном при 150°С (рис. 3а). При повышении температуры нагрева композита до 300 и 350°С этот рефлекс исчезает в результате образования нанокомпозита Cu/Cu20/УНТ. Получение нанокомпозита Cu/УНТ при 450°С (рис. 2) сопровождается возникновением дополнительных линий G (d = 3.36 Ä) и Int (d = = 3.58 Ä) (таблица), характеризующих, соответственно, совершенствование структуры УНТ и образование УНТ, модифицированных наночастица-ми Cu (рис. 1, 3б).

Превращения в системе Cu(00CCH3)2 • Н20— УНТ под действием ИК-нагрева описываются гетерогенными твердофазными реакциями. После гидролиза Cu(00CCH3)2 • Н20 в водном растворе полученный Cu(0H)2 при нагревании разлагается на Cu0 и H20. В результате реакции гидролиза и термической обработки при 150°С система Cu(00CCH3)2 • ^0—УНТ превращается в гетерогенную твердофазную систему Cu0—УНТ. В этой системе УНТ представляют реагент, состоящий из атомов С. При повышении температуры в системе Cu0—УНТ происходит реакция (1):

По данным ПЭМ (рис. 1), наночастицы Cu заполняют внутренний канал УНТ и проникают в межплоскостные пространства графитовых слоев, таким образом увеличивая d002 этих графито-подобных слоев. Итерационным методом осуществлена деконволюция рефлекса нанокомпозита на составляющие в интервале 29 от 20° до 32° (рис. 3). Этот рефлекс разложился на три составляющие графитоподобной фазы d002 и рефлекс Cu2O (d = 3.04 À). Первая составляющая d002 отвечает графитоподобным слоям УНТ (рис. 3, I), вторая — Int (рис. 3, II) — представляет собой структуру, слои которой раздвинуты из-за проникновения наночастиц CuO, Cu2O и Cu в межслоевые пространства, и третья — графит (G) (рис. 3б, III).

Рефлекс d002 исходного образца УНТ (рис. 3, 1) описывается одной линией Ф2(29) (рис. 3, 2). Для

6CuOTB + 4Ств

T, °C

2CuTB + 2Cu2Oтв + 4СОгt. (1)

Методом РФА подтверждено образование нанокомпозитов Си/Си2О/УНТ, полученных при 300 и 350°С. Дальнейший нагрев до 450°С приводит к исчезновению Си2О и образованию нанокомпозита Си/УНТ (рис. 2) в результате реакции (2):

CU2O тв + С тв

T, °C

2Cura + COt.

(2)

Кипячение УНТ в слабокислом водном растворе Cu(OOCCH3)2 • H2O (рН 6) способствует окислению примесных наночастиц аморфного углерода и полиароматических соединений, возникновению гидрофильных свойств примесей с возможностью интер-калирования их с помощью соединений Cu [12]. Последующее восстановление Cu+ до Cu0 при нагреве происходит в результате реакции (2). С увеличением температуры обработки нанокомпозита возрастает

0

НОВЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ

Результаты деконволюции рефлекса d)02 графитоподоб-ной фазы в нанокомпозите

T, °C 29, град d, Â с, мас. %

УНТ G Int УНТ G Int УНТ G Int

* 25.87 3.44 100

150 26.02 23.42 3.42 3.80 92.13 7.87

300 25.93 3.44 100

350 26.13 3.41 100

450 25.76 26.52 24.84 3.46 3.36 3.58 79.86 10.42 9.72

* Образец исходных УНТ.

содержание графитовой фазы до 10.42 мас. % (таблица; рис. 3б).

Таким образом, при исследовании превращения под действием ИК-нагрева в системе Cu(OOCCH3)2 • • H2O—УНТ методами РФА и ПЭМ установлено:

— исходный образец УНТ представляет смесь многослойных УНТ (диаметром от 12 до 100 нм и длиной около 1 мкм), имеющих графитоподобную структуру (d002 = 3.44 Ä; LC = 90 Ä; LA = 115 Ä);

— после ИК-нагрева при 450°С получен новый материал на основе УНТ, модифицированных нано-частицами Cu, которые распределены в межслоевом пространстве и внутри канала УНТ;

— на дифрактограммах нанокомпозитов наблюдаются рефлексы структуры d002 (d = 3.58 и 3.80 Ä), отражающие образование Int;

— с помощью итерационного метода осуществлена деконволюция рефлекса d002 в интервале 29 от 20° до 32° на G, УНТ и Int;

— нанокомпозит Cu/УНТ имеет дополнительные линии G (d = 3.36 Ä) и Int (d = 3.58 Ä);

1РИАЛ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ 369

— для очистки УНТ можно использовать интер-калирование УНТ с помощью Cu(OOCCH3)2 • H2O.

Авторы выражают благодарность С.Г Гагарину за помощь в математической обработке спектров РФА.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в рамках государственного контракта ГК-02.513.12.3094.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Iijima S. // Nature. 1991. V. 354. № 6348. P. 56.

2. Дьячков П.Н. Угл

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