УДК 546.59.26:54.05

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ МЕТАЛЛ-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТРИЦ

1, 2, 2

1 ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра химии твердого тела

E-mail:*****@***ru

650000, Кемерово, , тел +7 (3842) 583885

2 ФГБУН Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН

650000, Кемерово, пр. Советский 18, тел/факс +7 (3842) 365586

Введение

В настоящее время усиливается научный и практический интерес к созданию наноструктурированных металл-углеродных композитов (НМУК). Данный интерес к получению НМУК связан с размерными эффектами, изменяющими свойства наночастиц металла, такие как магнитные, проявляющихся в металле при достижении критического размера частиц [1], электрохимические, увеличение активности которых происходит за счет увеличения площади поверхности [2] для использования последних как электродов в ассиметричных конденсаторах, каталитические [3]. Получение наноструктурированных металл-углеродных композитов, чистых, регулярно построенных, с заданными функциональными свойствами, морфологией, составом - это сложный многоступенчатый процесс. Работ в данном направлении масса, но практически все имеющиеся методы получения либо требуют сложного аппаратного обеспечения и, следовательно, являются дорогостоящими, либо целевые продукты не структурированы и содержат большое количество примесей. Поэтому актуальным является поиск наиболее химически простого способа получения НМУК и в то же время химически чистого. Данная работа является одной из первых, так как получение НМУК на основе углеродной матрицы практически нигде не освещено.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Целью данной работы является получение наноструктурированного металл – углеродного композита (НМУК) методом восстановления тетрахлороаурата (III) водорода (золотохлористоводородной кислоты (ЗХВК)) в порах углеродной матрицы.

Экспериментальная часть

Получение металл-углеродного нанокомпозита проводили восстановлением золотохлористоводородной кислоты гидразингидратом (ГГ) на пористом углеродном материале (ПУМ) «Карбонизат» [4], разработанном в ИУХМ СО РАН.

Карбонизат СС-2.0 представляет собой обеззоленный мезопористый углеродный материал, полученный высокощелочной обработкой низкосортных слабоспекающихся каменных углей марки СС и обладающий удельной поверхностью 1036 м2∙г-1, общим объемом пор 0,83 см3∙г-1 (объем мезопор – 0,72 см3∙г-1; средний диаметр пор – 2,4  нм).

Используемые реактивы: HAuCl4∙4H2O (ЧДА); гидразингидрат N2H4∙H2O (64% N2H4 (ХЧ)); гидроксид натрия NaOH (ЧДА).

Получение композита Au/CС-2.0-5 с содержанием золота 5 мас.% осуществляли следующим образом:

Навеску ПУМ СС-2.0 в количестве 100 мг пропитывали по влагоемкости капельным методом 0,5 мл водного раствора ЗХВК (с концентрацией 8∙10-2 моль∙л-1) и выдерживали в течение 30 минут при температуре 5°С. После пропитки, образец отмывали 5 мл ацетона и сушили на воздухе в течение 10 мин. Далее проводили восстановление полученного полупродукта 1 мл щелочного раствора гидразингидрата (3,3 моль∙л-1 ГГ;1,25 моль∙л-1 NaOH) при 5°С в течение 30 мин. После восстановления образец промывали сначала 2 мл дистиллированной воды, а затем 3 мл ацетона, отфильтровывали. И в завершении образец сушили в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение 1 ч.

Полученные образцы исследовали методами рентгенофазового анализа (РФА) и малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (МУР). Рентгенографические исследования проводились на аппаратах ДРОН-3 (РФА) и КРМ-1 (МУРР) в медном излучении (лKб=1,5418 Е). Результаты представлены на рис. 1 и 2.

а  б

Рис. 1. Рентгенограмма образца нанокомпозита Au/CС-2.0-5: а) пики Au(200) и Au(111); б) увеличенный основной пик Au(111).

Рис. 2. Массовые функции распределения неоднородностей по размерам для образцов нанокомпозита Au/CС-2.0-5 и чистой пористой углеродной матрицы СС-2.0

На функциях распределения неоднородностей по размерам профиль для нанокомпозита Au/CС-2.0-5 повторяет профиль матрицы СС-2.0, следовательно, можно сделать вывод, что основная часть металлического золота находится в порах углеродной матрицы. Следует отметить, что в некоторых случаях металлическая фаза может частично экранировать рентгеновское излучение и возможно ослабление сигналов МУР по сравнению с сигналом исходного ПУМ, однако для данного образца сигнал от композита сильнее сигнала от матрицы. Первый пик в области наименьших размеров 1-10 нм для Au/CС-2.0-5 и СС-2.0 гораздо больше по интенсивности, зашкаливает, следовательно, крупных частиц 50-400 нм, даже по массе, гораздо меньше, чем мелких. Первый пик, как правило, обусловлен нанокристаллитами металлического золота и нанокристаллитами, а также микро - и мезопорами матрицы размером 1-10 нм. Второй пик на функциях распределения частиц по размерам, в области 30-50 нм, на порядок меньше по интенсивности и может быть обусловлен агрегатами, состоящими из более мелких частиц 1-10 нм (первый пик) и более крупными порами ПУМ. В интервале 100-260 нм функция распределения для композита имеет еще меньшую интенсивность по сравнению с низкоразмерной областью, а далее при 260-400 нм сливается с функцией распределения неоднородностей матрицы. Следовательно, частицы золота не вносят вклад в функцию распределения частиц по размерам при 260-400 нм, что может свидетельствовать об отсутствии крупных частиц золота в композите. Средний размер кристаллитов золота, рассчитанный по формуле Селякова-Шеррера, по уширению рефлекса Au(111) на рентгенограммах, составил 8±2 нм, что соответствует первому, основному, пику на функции распределения неоднородностей по размерам.

Заключение

Получены золотосодержащие нанокомпозиты на основе мезопористой углеродной матрицы СС-2.0 восстановлением ЗХВК гидразингидратом в порах и на поверхности ПУМ. На основании данных РФА, установлено, что золотохлористоводородная кислота полностью восстанавливается до металлического золота, средний размер кристаллитов металлического золота в нанокомпозите составил 8±2 нм.

Авторы работы благодарят к. х.н., доц. , к. ф.-м. н. и член-корр. РАН за помощь в проведении исследований и обсуждении полученных результатов.

Литература и источники

Чесноков, металлосодержащих углеродных материалов из расширенных графитов и растворов целлюлозы / , , . – Сб. тр. IV Междунар. конф. «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» («Композит-2007»), г. Саратов, 3-6 июля 2007. – Саратов: Изд-во СГТУ, 2007. – С. 404-407. Способ получения углеродного анодного материала: пат. 2370437 Рос. Федерация. – № 000/15: заявл. 06.08.08; опубл. 20.10.09. – Бюл. № 26. Суздалев, и магнитные переходы в нанокластерах и наноструктурах / . – М.: URSS, 2012. – 480 с. Манина, низкосортных окисленных углей с получением высокоэффективных углеродных сорбентов / , , // Кокс и химия. – 2012. – № 3. – С. 43-46.

Научный руководитель – д. х.н., профессор, член.-корр. РАН , ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»