научная статья по теме НОВЫЙ ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МНОГОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, ДЕКОРИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ РЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «НОВЫЙ ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МНОГОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, ДЕКОРИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ РЕНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 45-49

УДК 543.442.2:620.187.3:621.793

НОВЫЙ ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МНОГОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, ДЕКОРИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ РЕНИЯ

© 2015 г. К. В. Кремлев1, 3, *, А. М. Объедков1, 3, С. Ю. Кетков1, 3, Б. С. Каверин1, Н. М. Семенов1, Г. А. Домрачев1, С. А. Гусев2, 3, Д. А. Татарский2, 3, П. А. Юнин2, 3

Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН, 603137Нижний Новгород, Россия 2Институт физики микроструктур РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия 3Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия *Е-таП: kkremlev@mail.ru, amo@iomc.ras.ru Поступила в редакцию 23.11.2014 г.

С использованием технологии MOCVD проведено осаждение наночастиц рения на поверхность многостенных углеродных нанотрубок. Анализ полученных гибридных материалов выполнен методом растровой электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и рентгенофазового анализа. Установлена зависимость размера и формы наночастиц рения от начальных параметров синтеза. Обнаружен бимодальный характер распределения по размерам наночастиц металла на поверхности многостенных углеродных нанотрубок.

Ключевые слова: углеродные нанотрубки, гибридные материалы, MOCVD, наночастицы, рений. БО1: 10.7868/80207352815070112

ВВЕДЕНИЕ

Рений обладает уникальной совокупностью физических и химических свойств, делающих его незаменимым в различных областях науки и технологии. Он занимает второе место среди всех металлов по температуре плавления (3185°0, уступая лишь вольфраму (3422°0). Рений широко используется в высокотемпературных жаропрочных сплавах для изготовления деталей реактивных двигателей, увеличивая срок службы двигателя, производительность и эффективность его работы [1].

В настоящее время рений и его соединения также используются в производстве катализаторов, обладающих высокой активностью и селективностью в разнообразных реакциях органического и элементоорганического синтеза. Известно, что каталитические системы на основе рения чрезвычайно востребованы в нефтеперерабатывающей промышленности при синтезе высокооктанового компонента бензина, используемого для получения товарного бензина [2, 3]. Уникальные свойства ренийсодержащих катализаторов приведены в обзорах [4, 5].

Использование в катализе наночастиц рения, нанесенных на различные носители, позволило бы сократить расход ценного каталитически активного металла при одновременном повышении

активности, обусловленном как увеличением площади поверхности наночастиц, так и собственно наноразмерными эффектами. Наиболее удобным способом получения тонких рениевых покрытий является метод химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (метод MOCVD). Одним из наиболее применяемых в этом процессе прекурсоров является декакарбонилдирений Re2(CO)10. В работе [6] на основе термодинамического анализа реакций, возможных при термическом разложении Re2(CO)10, показано, что примеси оксидов рения не должны образовываться в покрытии рения во всем температурном интервале. Также указывается и на то, что при температурах выше 700°C рений должен быть практически свободен от примесей. Авторами [7] было проведено исследование покрытий рения толщиной от 3 до 7 мкм, полученных на стальных и керамических подложках из двух прекурсоров, одним из которых был декакарбонилдирений Re2(CO)10, в различных температурных режимах осаждения. Было показано, что повышение температуры подложки с 350 до 550°C приводит к росту текстурированных покрытий и уменьшению размера кристаллитов рения.

Благодаря уникальным электронным свойствам, химической стабильности и высокой удель-

ной поверхности многостенные углеродные на-нотрубки (МУНТ) являются идеальным носителем для металлсодержащих катализаторов [8]. Также известно, что модифицирование стенок МУНТ различными металлсодержащими нано-частицами [9, 10] может расширить спектр функциональных свойств самих нанотрубок [11], придав им необходимые магнитные [12], каталитические [13] и электронные [14] свойства. Таким образом, нанеся на поверхность многостенных углеродных нанотрубок наночастицы рения, можно получить новый гибридный материал, имеющий потенциальное применение в качестве наноразмерного рениевого катализатора, где в роли носителя выступают углеродные нанотрубки.

Целью настоящей работы являлось изучение возможностей осаждения (с использованием технологии MOCVD) наночастиц рения на поверхность многостенных углеродных нанотрубок и исследование свойств полученного гибридного материала различными физико-химическими методами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез многостенных углеродных нанотрубок проводился методом химического осаждения из паровой фазы металлорганических соединений (метод MOCVD) [15]. В качестве прекурсоров использовали толуол и ферроцен. Температура печи испарителя ферроцена составляла 90°C, температура печи пиролиза смеси прекурсоров — 800°C. Скорость потока аргона — 450 см3/мин.

Осаждение наночастиц рения на поверхность МУНТ проводили в ампулах из пирексового стекла объемом 9.4 ± 0.2 см3, в которые помещали исходные МУНТ в виде порошка и прекурсор дека-карбонилдирений в массовом соотношении 1 : 1, 1 : 2, 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5 и 1 : 6 соответственно. Затем ампулы откачивали форвакуумным насосом, запаивали, помещали в муфельную печь SNOL 7,2/900, медленно поднимали температуру печи до 420° C и выдерживали ампулы при этой температуре в течение трех часов. После охлаждения ампулы вскрывали. Полученные образцы гибридных материалов на основе МУНТ, декорированных на-ночастицами рения, далее были охарактеризованы различными физико-химическими методами.

Данные рентгеновской дифракции получены на дифрактометре Bruker D8 Discover в симметричной 9—29 геометрии с зеркалом Гёбеля, экваториальной щелью Соллера с угловой расходимостью 2.5° и щелью 1.5 мм на первичном пучке. Исследование морфологии образцов проводилось на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Carl Zeiss SUPRA 50 VP. Структура многостенных углеродных нанотрубок и гибридных материалов была исследована с помощью просвечивающего

электронного микроскопа высокого разрешения Carl Zeiss LIBRA 200MC.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Осаждение рения на поверхность многостенных углеродных нанотрубок с образованием гибридного материала МУНТ/Re проходило по схеме:

Re2(CO)10 ^ 2Re + 10C0.

В работе [6] проанализированы возможные реакции взаимодействия рения с продуктами разложения декакарбонилдирения. Приведены реакции взаимодействия рения с CO и CO2 с образованием различных оксидов рения, а также реакции восстановления оксидов рения при взаимодействии с СО. На основе термодинамического анализа показано, что во всем рассматриваемом интервале температур преобладают реакции, не приводящие к появлению примесей, а, наоборот, способствующие их устранению. Таким образом, выбранный нами способ осаждения должен приводить к получению на поверхности МУНТ нано-частиц чистого рения без примеси карбидов и оксидов.

РЭМ-исследования. На рис. 1 представлены РЭМ-микрофотографии образцов МУНТ/рений, имеющих изначальное соотношение прекурсоров МУНТ : Re2(CO) 10 от 1 : 6 до 1 : 1. Из них следует, что рений осаждается на поверхности многостенных углеродных нанотрубок в виде островков. Степень покрытия многостенных углеродных на-нотрубок зависит прямо пропорционально от начального количества декакарбонилдирения в реакционном объеме. Для образцов с минимальным содержанием Re (рис. 1д и е) наблюдается достаточно равномерное распределение наноча-стиц металла на поверхности многостенных углеродных нанотрубок, и они располагаются на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Видно, что не только плотность распределения на поверхности многостенных углеродных нанотру-бок, но и размер наночастиц рения зависит от начальной концентрации прекурсора. В каждом образце наблюдаются равномерно распределенные по поверхности многостенных углеродных нано-трубок мелкие частицы каплевидной формы и единичные, более крупные кристаллиты с явно выраженной огранкой. Так, наибольший размер наночастиц рения составил ~120 нм при соотношении прекурсоров МУНТ и Re2(CO)10 1 : 6 соответственно (рис. 1а). В образце с минимальным начальным соотношением МУНТ и Re2(CO)10 1 : 1 (рис. 1е) размер наночастиц рения находился в диапазоне от единиц до ~30 нм.

Крупные наночастицы рения осаждаются на поверхности МУНТ в виде кристаллитов, имеющих форму гексагональной бипирамиды и гекса-

Рис. 1. РЭМ-изображения гибридного материала МУНТ/Ие с различным начальным соотношением прекурсоров МУНТ и Ие2(СО)10: а - 1 : 6; б - 1 : 5; в - 1 : 4; г - 1 : 3; д - 1 : 2; е - 1 : 1.

тональной призмы. Рений имеет гексагональную симметрию кристаллической решетки, и это косвенно подтверждает наличие в образцах именно чистого Re. На рис. 2 представлена РЭМ-микрофотография, демонстрирующая гексагональный габитус крупных наночастиц металла на поверхности многостенных углеродных нанотрубок.

ПЭМ-исследования. На рис. 3 представлено ПЭМ-изображение образца гибридного материала МУНТ/рений, полученного при начальном соотношении прекурсоров МУНТ и Re2(CO)10 1 : 2. Отчетливо видно, что на поверхности многостен-

Рис. 2. РЭМ-изображение наночастиц рения в виде гексагональных бипирамид и призм.

ных углеродных нанотрубок присутствуют как сравнительно крупные, так и достаточно мелкие наночастицы рения. Причем крупные наночасти-цы еще не обладают четкой огранкой, но уже не имеют каплевидной формы, которая наблюдается у мелких наночастиц. Распределение наноча-стиц рения по размерам имеет бимодальный ха-

*f* m I*

*

ff * V

'V ft Zm

« w*

w m

я

)

Рис. 3. ПЭМ-изображение образца МУНТ с нанесенными на поверхность наночастицами рения. Соотношение МУНТ : Ие2(СО)10 равно 1 : 2.

100 нм

I_I

Рис. 4. ПЭМ-изображение образца МУНТ с нанесенными на ее поверхность наночастицами рения. Соотношение МУНТ : Ке2(СО)10 равно 1 : 1.

5 нм

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Размер наночастиц, нм

Рис. 5. Распределение наночастиц рения по размер

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