Методы получения оксидных наночастиц и нанопорошков

Содержание

Слайд 2

Нанопорошки – вещества, измельченные до такого размера, при котором скачкообразно меняются их

Нанопорошки – вещества, измельченные до такого размера, при котором скачкообразно меняются их
свойства

SiO2 TiO2 α-Al2O3

MexOy Me

Применение:

Слайд 3

Лауреат нобелевской премии Т. Сведберг предложил разделить методы получения ультрадисперсных частиц на

Лауреат нобелевской премии Т. Сведберг предложил разделить методы получения ультрадисперсных частиц на
две группы:

Диспергационные (механическое, термическое, электрическое измельчение или распыление макроскопической фазы)

Конденсационные (химическая или физическая конденсация)

Слайд 4

Механическое воздействие

Механосинтез

Ударно-волновой синтез

+

газы в камере (O2)

диспергирование

агрегирование

Механический импульс

Напряжения в приконтактных областях

Релаксация:
-выделение тепла
-диспергирование
-появление

Механическое воздействие Механосинтез Ударно-волновой синтез + газы в камере (O2) диспергирование агрегирование
аморфных структур
-химическая реакция

Слайд 5

Газофазный синтез

Энергия

+

инертный газ низкого давления

фильтры, центробежное осаждение, жидкие плёнки

Источник:

Источник:

массивный оксид

металлы + газ-реагент

Энергия:

Энергия:

электронный

Газофазный синтез Энергия + инертный газ низкого давления фильтры, центробежное осаждение, жидкие
пучок

лазерный импульс

100

2500

Р, Па

d

He

Xe

увеличение размера частиц в несколько раз

сферические < d=20 нм < ограненные

Слайд 6

Плазмохимический синтез

плазма

плазмотрон

пары металла

+

O2

кислород воздуха

Особенности:
-высокая скорость образования зародышей
-малая скорость роста
за счет:
-сверхбыстрый нагрев
-сверхбыстрое охлаждение

+:

-

Плазмохимический синтез плазма плазмотрон пары металла + O2 кислород воздуха Особенности: -высокая
высокая скорость образования и конденсации

- высокая производительность

-:

- широкое распределение частиц по размерам

содержание примесей:

образование активных частиц

закалка и выделение продуктов

- универсальность

- низкая материалоёмкость

многодуговые реакторы

реактор с вихревой стабилизацией плазмы

Слайд 7

Электровзрыв

+

кислородная атмосфера в реакторе

Металлическая проволока d=0,1 – 1 мм

Импульс тока
t = 10-5

Электровзрыв + кислородная атмосфера в реакторе Металлическая проволока d=0,1 – 1 мм
– 10-7 c
j = 104 – 106 A/мм2

нагрев проводника и незначительное расширение

перегрев выше температуры плавления, расширение V=5-103 м/с, взрывообразное диспергирование

уменьшение размера частиц:
- снижение концентрации паров за счет снижения перегрева металла и уменьшения диаметра проволоки
- уменьшение концентрации кислорода

Слайд 8

Электролитическое осаждение

Me = Fe, Ni, Cu, Co

Термическое разложение

Раствор

Расплав

химическое взаимодействие НП с водой

их

Электролитическое осаждение Me = Fe, Ni, Cu, Co Термическое разложение Раствор Расплав
загрязнение

малая реализация процесса

Исходные вещества для

Оксидов

Металлов

спиртовые производные (низкая температура, глубокая очистка)

формиаты, оксалаты, карбонилы

Твердых растворов

смешанные оксалаты

восстановление в водороде

Слайд 9

Синтез в жидких металлах

Криохимический синтез

Gaжидк

1

2

растворение Me

барботирование H2O (окисление Мe)

Растворимость Мe > 0,1

Синтез в жидких металлах Криохимический синтез Gaжидк 1 2 растворение Me барботирование
масс.%

Сродство Мe к O2 > сродства Ga к O2

Селективное окисление приводит к формированию высокодисперсных аморфных оксидов

N2

Pравн

Pсреды

T

Прокаливание на воздухе

Слайд 10

Методы химической конденсации

Химическая конденсация - объединение атомов, молекул или ионов с образованием

Методы химической конденсации Химическая конденсация - объединение атомов, молекул или ионов с
частиц дисперсной фазы в результате протекания химических реакций

Осаждение из растворов

Регулирование условий (рН, Т)

Осадитель:
- NH4OH
- NaOH
- H2C2O4
- (NH4)2C2O4

Исходные вещества:
- NO3-
- Cl-
- SO42-

Термообработка на воздухе

Слайд 11

Mex(A)y + KOH → Men(OH)m + KA

Me - металл

K - катион

A

Mex(A)y + KOH → Men(OH)m + KA Me - металл K -
- анион

образование кристаллических зародышей

их рост

+:

- совместное осаждение нескольких гидроксидов

-:

- содержание примесей

- значительный рост частиц во время синтеза

- широкий разброс частиц по размерам







Увеличение дисперсности:

- большие пересыщения
- высокие скорости перемешивания
- наличие затравочных кристаллов

- нет сложного оборудования

Осаждение из растворов

Слайд 12

Золь-гель метод

Золь – дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной

Золь-гель метод Золь – дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и твердой
фазой

Гель – структурированный золь – представляет собой студенистое тело, трёхмерную структуру из дисперсных частиц, в промежутках между которыми находится жидкая дисперсионная среда

Золь

Гель

+

1

n

Наиболее распространены следующие варианты золь-гель технологии:
- гидролиз солей металлов при повышенных температурах
- частичная нейтрализация соли металла с образованием стабильного гидрозоля соответствующего водного оксида
- полная нейтрализация соли металла с последующим промыванием и пептизацией осадка и образованием стабильного гидрозоля
- гидролиз металлорганических соединений

Слайд 13

формируется химический состав продукта, высокодисперсный коллоидный раствор-золь. d = 10-9 – 10-6

формируется химический состав продукта, высокодисперсный коллоидный раствор-золь. d = 10-9 – 10-6
м

ЗОЛЬ

ГЕЛЬ

КСЕРОГЕЛЬ

появление коагуляционных контактов между частицами и начало структурообразования

удаление дисперсионной среды → появление прочных фазовых контактов

тиксотропия

+

Золь-гель метод

Слайд 14

Получение золей

а) Гидролиз солей металлов:

MeCln + H2O → MeOm + HCl

MeCln +

Получение золей а) Гидролиз солей металлов: MeCln + H2O → MeOm +
H2O → Me(OH)m + HCl

Me = Ti, Zr

Me = Fe, Al

б) Гидролиз и поликонденсация алкоксидов металлов:

Me(OR)n + xH2O = Me(OH)x(OR)n-x + xROH (гидролиз)

Me(OH)x(OR)n-x = (n/2)MeO + (2x-n)/2*H2O + (n-x)ROH (конденсация)

Me = Ti, Zr

R = алкильная группа

процесс

образование золя (разбавленные растворы, введение ПАВ)

коагулирование

Слайд 15

в) Термолиз солей металлов в органических неполярных растворителях:

Me = Zn, Fe, Co,

в) Термолиз солей металлов в органических неполярных растворителях: Me = Zn, Fe,
In, Ce, Sn

…+ Получение коллоидных растворов ZnO

T =

… °C

диоктиловый эфир, триоктилфосфиноксид, олеиновая кислота (180 °C) + Zn(Pr)2 (в толуоле) (50-70 °C)

осадок

+ ацетонизб

ZnO + редиспергация в гептане

Zn(NO3), олеиламин, олеиновая кислота (90-100 °C) + дефиниловый эфир

150-320 °C

ZnO + редиспергация в гептане

А. С. Шапорев «Гидро- и сольвотермальный синтез и функциональные свойства нанокристаллического оксида цинка»

Ar

Слайд 16

Образование наночастиц в микроэмульсиях

=

Прямая мицелла

Обратная мицелла

Образование наночастиц в микроэмульсиях = Прямая мицелла Обратная мицелла

Слайд 17

!!! Солюбилизация – значительное увеличение растворения внутри мицеллы веществ, плохо растворяющихся в

!!! Солюбилизация – значительное увеличение растворения внутри мицеллы веществ, плохо растворяющихся в
жидкой дисперсионной среде

Солюбилизация

Природа контактирующих фаз

Природа ПАВ

Наличие электролита

Температура

Широкие пределы растворимости, изменение свойств и скорости реакции

Образование устойчивых изотропных систем - микроэмульсий

+

Образование наночастиц в микроэмульсиях

Слайд 18

Синтез в суб- и сверхкритической воде

ГАЗ = ЖИДКОСТЬ

Растворимость

при

Т

Растворимость

при

ε

Растворимость органики

Растворимость ионных соединений

Влияет изменение

Синтез в суб- и сверхкритической воде ГАЗ = ЖИДКОСТЬ Растворимость при Т
параметров

ρ

ε

Kw

*

* А. А. Галкин, В. В. Лунин «Вода в суб- и сверхкритическом состояниях – универсальная среда для осуществления химических реакций»

Слайд 19

ВОДА

среда, передающая давление

Синтез фаз, не стабильных при высоких температурах

Механизм образования оксидов:

MLx +

ВОДА среда, передающая давление Синтез фаз, не стабильных при высоких температурах Механизм
xH2O = M(OH)x + xHL (гидролиз)

M(OH)x = MOx/2 + x/2H2O (дегидратация)

Vобщая = f(T, Kw, ε)

Kw (субкрит) > Kw (крит.)

Гидролиз (субкрит.)

>

Гидролиз (крит.)

ε(субкрит.) > ε(крит.)

Дегидратация (субкрит.)

>

Дегидратация (крит.)

Синтез многокомпонентных оксидов

проточные реакторы – истинные растворы солей

закрытые реакторы – соосажденные гидроксиды (различные скорости гидролиза солей, постепенный нагрев автоклава, формирование оксидов разделено во времени)

Гидротермальный синтез

Гетерогенная реакция в водной среде при Т>373 K и Р>0,1 МПа,

=

среда для осуществления реакции; растворение веществ не растворяющихся при обычных условиях

Слайд 20

Аппаратное оформление

реактор закрытого типа

проточная система

сброс давления

датчик давления

регулятор температуры

печь

насос для реагентов

насос для воды

печь

Аппаратное оформление реактор закрытого типа проточная система сброс давления датчик давления регулятор
1

печь 2

регулятор давления

реактор

продукты реакции

- оксидные частицы часто не однофазные

- неоднородное распределение по размерам

- τ = минуты – дни.

- узкое распределение по размерам

- частицы однофазные

- τ = секунды.

- Т=503-673 К Р=25-35 МПа

Слайд 21

Микроволновая обработка

«Гибридный» микроволновый нагрев

- хорошо поглощает при Ткомн

- плохо поглощает при Ткомн

Микроволновая обработка «Гибридный» микроволновый нагрев - хорошо поглощает при Ткомн - плохо поглощает при Ткомн

Слайд 22

Увеличение акустической энергии

Кавитации

горячая точка

Инициирование сонохимической реакции:

T = 5000 K
P = 500-1000 атм.

локальная

Увеличение акустической энергии Кавитации горячая точка Инициирование сонохимической реакции: T = 5000
электризация

ДЭС

ДЭС

ДЭС

ДЭС

ДЭС

ДЭС

ДЭС

ДЭС

Ультразвуковая обработка

Слайд 23

Кавитация

Стационарная:

Нестационарная:

τ = несколько циклов

длительное τ

Рст

Рнест

Рнест < Рст

Сонохимический синтез оксидов

Red/OX

+

-

Роль кавитации

механическое воздействие

сонолиз

Сонохимические процессы

Кавитация Стационарная: Нестационарная: τ = несколько циклов длительное τ Рст Рнест Рнест
и гидротермальный синтез

увеличение скорости зародышеобразования

узкое распределение по размерам

увеличение содержания термодинамически стабильных фаз

Ультразвуковая обработка

Имя файла: Методы-получения-оксидных-наночастиц-и-нанопорошков.pptx
Количество просмотров: 613
Количество скачиваний: 10