Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИИЯ НАНОЧАСТИЦ В СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ ИОНЫ МЕТАЛЛОВ И УГЛЕВОДОРОДЫ
В. И. Кодолов, Н. В. Хохряков, А. П. Кузнецов, А. А. Дидик, Л. Г. Макарова,
С. Мелъчор-Феррер1, Е. Г. Волкова2
Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии,
Удмуртский научный центр, Уральское отделение РАН, ул. Горького, 222, Ижевск, 426000, Россия, e-mail: kodol@istu.udm.ru 1 Университет Гранады, Институт биотехнологии, Гранада, Испания 2 Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, Россия
В статье рассматриваются нанореакторы как фазовые границы и наноразмерные слоистые матрицы. Образование наночастиц рассматривается как химические процессы в нанореакторах, энергия активации которых снижается за счет взаимодействия со стенками последних. На основе квантово-химических расчетов и экспериментальных данных предлагается гипотеза образования углеродных наноструктур.
В самоорганизующихся средах имеют место различные химические процессы, в том числе органические реакции. Значительная часть публикаций об органических реакциях в неорганических или элемен-тоорганических межфазных областях появилась в последние сорок лет. В этих работах, «зародыши» углеродных волокон и тубулены получались при диспергировании ароматических углеводородов в средах, содержащих хлориды металлов или полифосфорную кислоту, или алкил(арил)фосфоновые кислоты [1-3]. Берлин с сотрудниками отмечал образование полимерных ароматических соединений за счет процесса дегидрополиконденсации углеводородов с переносом протона в среду. В последнее время большое внимание исследователей привлекают углеродные нанотрубки и другие углеродные наноструктуры.
Наши исследования касаются создания теории и методологии низкотемпературного синтеза наноструктур в нанореакторах.
Достоинства этого направления:
—уменьшение выделения энергии и вредных веществ в окружающую среду;
— уменьшение энергетических затрат;
— направленность процесса синтеза;
— ориентация продуктов в нанореакторе.
Развитие исследований проводится в несколько
этапов:
— моделирование стабильности наноструктур и их образования квантово-химическими методами;
— развитие методов низкотемпературного синтеза;
— исследование состава и морфологии наноструктур, а также их свойств;
— применение наноструктур в неорганических и органических полимерных композитах.
Квантово-химические исследования механизма низкотемпературного синтеза проводились для процессов дегидрополиконденсации и карбонизации ароматических углеводородов в присутствии металлов и их солей, а также для карбонизации поливинилового спирта в слоистых ванадийоксидных средах, таких как поливанадаты переходных металлов.
Вычислительный эксперимент осуществлялся в рамках метода Хартри-Фока с использованием программного продукта GAMESS. Для сложных процессов дегидрополиконденсации выполнялась оптимизация полуэмпирическим методом MNDO. Предсказано образование дефектных структур, в которых, наряду с sp2-гибридизацией имеют место типы sp- и sp3-гиб-ридизации для углеродных атомов. Определена вероятность образования углеродных оболочек на растущих металлических частицах. Предложенные модели подтверждаются экспериментальными данными.
Моделирование превращений поливинилового спирта в нанореакторе, представляющем собой межслоевое пространство в поливанадатах или поливанадиевой кислоте, проведено с выделением фрагментов поливанадиевой кислоты и заключалось в квантово-химической оценке энергий взаимодействия указанных фрагментов с этанолом. При этом показано, что протекают процессы как дегидратации, так и дегидрирования. Определены вероятности образования углеродных нанотрубок с металлом внутри и металлических частиц в углеродной оболочке шаровидной формы.
На основе квантово-химических и экспериментальных результатов предложена гипотеза образования углеродных наноструктур, содержащих металлы и их соединения. Согласно этой гипотезе происходит одновременное восстановление металлов из их ионов и окисление углеводородов до углерода на примере поливанадиевой кислоты, используемой в качестве среды, имеющей нанореакторы, и поливинилового спирта, как источника углерода для оболочки. Экспериментально и теоретически обнаружено, что углеродметаллсодержащие тубулены получаются с относительно высоким выходом при небольших температурах (до 900 на ксерогелях по-ливанадатов), когда отрицательный заряд стенок на-
Водород в металлах и сплавах
нореактора близок к -2,5. При использовании поливинилового спирта в сочетании с солями металлов образуется до 90 % сросшихся многослойных на-нотрубок, заполненных металлами. Формируются также структуры, которые определяют как «свитки», содержащие ионы металлов.
В зависимости от выбора нанореактора были получены различные формы наноструктур: разветвлённые, изогнутые, многослойные нанотрубки, «свитки», «луковицы», «бамбукоподобные» тубулены, металлические нанопроволоки и наночастицы в углеродной оболочке. При использовании металлических фольг
(алюминиевой и медной) из смеси солей металлов и ароматических углеводородов теоретически предсказаны и экспериментально получены многослойные нанотрубки (диаметр 20 нм), заполненные электролитом. Установлено, что природа металла и металлсодержащего соединения оказывает существенное влияние на размеры и форму наноструктур, полученных в подобных нанореакторах. Размеры и зарядность стенок нанореакторов определяют также дефектность полученных наноструктур.
Работа выполнена при финансовой поддержке ИНТАС N 97-30810.
^ДЕЕ Специальный выпуск (2003)
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.