Основні методи синтезу та стабілізації наносистем Частина 1

Автор: Екатерина Теребиленко

Скачать презентацию Основні методи синтезу та стабілізації наносистем Частина 1 Скачать презентацию Основні методи синтезу та стабілізації наносистем Частина 1

lection3-16.pptx

  • Размер: 8.3 Мб
  • Автор:
  • Количество слайдов: 35

Описание презентации Основні методи синтезу та стабілізації наносистем Частина 1 по слайдам

Основні методи синтезу та стабілізації наносистем Частина 1 Лекція № 3, 27. 02. 16Основні методи синтезу та стабілізації наносистем Частина 1 Лекція № 3, 27. 02.

Умови синтезу наночасточок за Я. Фендлером (J. H. Fenfler): Нерівноважність систем.  Вузький розподілУмови синтезу наночасточок за Я. Фендлером (J. H. Fenfler): Нерівноважність систем. Вузький розподіл по розмірам. Чітка залежність функціональних характеристик від розміру. Однорідність складу. Відтворюваність. 2 Уникнути : : Досягти — Агрегації — ( Домішок та сорбції на ) поверхні — Широкого розподілу по розмірам — Зміни морфології наночасточок — Необхідного розміру — Однорідні наночасточки контрольованої форми — Необхідного складу та будови — Відтворюваності синтезу

3 Класифікація методів синтезу : За агрегатним станом реагентів:  • Газофазні;  •3 Класифікація методів синтезу : За агрегатним станом реагентів: • Газофазні; • рідкофазні • твердофазні За фізико-хімією взаємодії: • хімічні • фізичні За зміною розміру часточок в реакції: • диспергаційні • конденсаційні За енергетичними витратами: • високоенергетичні • низькоенергетичні

 Два підходи до синтезу: Диспергаційний ( Top-down ): Механічний помел; механосинтез; Електровибух, літографія Два підходи до синтезу: Диспергаційний ( Top-down ): Механічний помел; механосинтез; Електровибух, літографія Конденсаційний (bottom-up): Випаровування; Синтез в нанореакторах; Золь-гель метод; Сольвотермальний.

Диспергаційні методи:  Механічний помел;  Механосинтез;  Ультразвукове диспергування;  Детонаційний синтез; Диспергаційні методи: Механічний помел; Механосинтез; Ультразвукове диспергування; Детонаційний синтез; Електровибух; Розклад.

6 Диспергаційні методи: Помел за ударним механізмом 6 Диспергаційні методи: Помел за ударним механізмом

7 Млини: ПРИНЦИП ДІЇ 7 Млини: ПРИНЦИП ДІЇ

Млин: Барабанний Вібраційний Струйний Матеріал Стальні або керамічні кульки Стальні, керамічні або корундові кулькиМлин: Барабанний Вібраційний Струйний Матеріал Стальні або керамічні кульки Стальні, керамічні або корундові кульки сталь Розмір гранул До 30 нм до 50 нм не менше 80 нм Переваги Дрібний помел, можливість роботи у розчинах Менший розкид по розмірам, можна молоти шаруваті об’єкти, менші габарити Мінімальне забруднення матеріалом устаткування Недоліки широкий розкид розміру, габаритність, енергоемкість, шум-ність, забруднення, Матеріалом кульок, не придатний до шаруватих об’єктів Сильні вібрації, забруднення матеріалом устаткування, не підходить для в’язких матеріалів Необхідність подачі повітря та використання фільтрів, важкість у обслуговуванні, енергоемкість 8 Переваги та недоліки млинів

Механосинтез Використовується: - синтез інтерметалідів; - йонних та молекулярних кристалів - карбідів, нітридів, фосфідів.Механосинтез Використовується: — синтез інтерметалідів; — йонних та молекулярних кристалів — карбідів, нітридів, фосфідів. Постадійність: — Початкова деформація кристалічних ґраток; — Утворення, накопичення та взаємодія точкових та лінійних дефектів. — Диспергування речовин на блоки. — Утворення проміжних, метастабільних станів при контактів фаз; хімічна гомогенізація. — Релаксація до рівноважного стану.

механічна активація прискорює процеси масоперенос у частина пружної енергії перетворюється у тепло Поява метастабільнмеханічна активація прискорює процеси масоперенос у частина пружної енергії перетворюється у тепло Поява метастабільн их дефектів агрегація Зростає температура в зоні удару Домішка нерівноважних фаз Рекристалізаці я речовини 10 Механосинтез: недоліки

Механічна активація гетерогенних реакцій: Глибоке диспергуванн я Найтвердіший компонент Найм'якіший компонент Функція подрібнення ФункціяМеханічна активація гетерогенних реакцій: Глибоке диспергуванн я Найтвердіший компонент Найм’якіший компонент Функція подрібнення Функція ПАР деформуєтьс яподрібнюєтьс я

Застосування механосинтезу: Початкова суміш Продукт Fe 2. 5 N + Al = Al. NЗастосування механосинтезу: Початкова суміш Продукт Fe 2. 5 N + Al = Al. N + 2. 5 Fe Al. N 50 -80 нм 3 Ti + 1, 25 Si. C + 0, 75 C (25 % надлишок). Ti 3 Si. C 2 80 -100 нм Fe 2 O 3 + 2 Al = Al 2 O 3 + 2 Fe Fe (домішки Fe 3 O 4 , (Fe 1 -х Al x ) 3 O 4 , Fe 2 Al 5 ) 12 Cr + сажа Сr 3 C 2 40 -80 нм Сr 3 C 2 75 -80 нм. Планетарний млин, 90 хв Низькотемпературний відпал 600 0 С

13 Зростання акустичної енергіїКавітації: -Р -Р гаряча ділянка Ініціювання сонохімічної реакції: T = 500013 Зростання акустичної енергіїКавітації: -Р -Р гаряча ділянка Ініціювання сонохімічної реакції: T = 5000 K P = 500 -1000 атм. Локальна електризац ія Подвійний електричний шар +/-Ультразвукове диспергування

Детонаційний синтез Переваги:  розмір 2 -20 нм,  сферична форма; Недоліки:  складнеДетонаційний синтез Переваги: розмір 2 -20 нм, сферична форма; Недоліки: складне коштовне обладнання, широкий розкид по розмірам В. Ю. Долматов /Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение//Успехи химии (7) 2001 с. 687 — 703 Синтез наноалмазів: P>10 ГПа , Т>3000 К, з органічних сполук CH 4 = C + 2 H 2 14 Камера вибуху Інертний газ циклон Збірник Суспензія первинної суміші Суха первинна суміш Магнітна сепарація Фільтру вання

Електровибух – пружний імпульс струму протягом 10 -5 -10 -7 с, що супроводжується вибухомЕлектровибух – пружний імпульс струму протягом 10 -5 -10 -7 с, що супроводжується вибухом провідного матеріалу; 15 Провідник, що вибухає під дією струму+ —

Розклад Ni. ONi(OH) 2 Ni(NO 3 ) 2 Ni(OOCH 3 ) 22200 C 350Розклад Ni. ONi(OH) 2 Ni(NO 3 ) 2 Ni(OOCH 3 ) 22200 C 350 0 C 380 0 C 5 нм 40 нм 50 нм

Конденсаційні методи синтезу З газової фази з розчинів в нанореакторах - плазмохімічний метод; -Конденсаційні методи синтезу З газової фази з розчинів в нанореакторах — плазмохімічний метод; — Гідроліз у полум’ї; — Лазерне випаровування; — Аерозольна конденсація; — кріоконденсація — співосадження; — Золь-гель метод; — Сольвотермальний синтез; — Заміна розчинника; — Мікрохвильовий; — Швидкий термічний розклад; — кріохімічний метод; -обернені міцели; — в плівках Ленгмюрра – Блоджет; — Синтез в рідких кристалах; — Самозбірні шари.

Конденсація з газової фази Фізичне осадження  (Physical Vapor Decomposition)  Хімічне осадження (ChemicalКонденсація з газової фази Фізичне осадження (Physical Vapor Decomposition) Хімічне осадження (Chemical Vapor Decomposition) Розклад на поверхні

Генерація плазми Введення сировини  Реакція  Утворення та ріст частинок Хімічні методи: ПлазмохімічнийГенерація плазми Введення сировини Реакція Утворення та ріст частинок Хімічні методи: Плазмохімічний метод Нагрівання сировини

Хімічні методи: 2. Метод піролізу Ti. Cl 4 + 2 H 2 O =Хімічні методи: 2. Метод піролізу Ti. Cl 4 + 2 H 2 O = Ti. O 2 + 4 HCl Вихідна речовина Нанокристалічний продукт [С 2 H 3 (B 5 H 8 )]n B 4 C (η-C 2 H 5 ) 2 Ti. Me 2 Ti. C 201 – поток газу-носія, 2 – джерело вихідних речовин, 3 – клапани регулювання, 4 – робоча камера, 6 – цилиндр охолодження, 7 – коллектор реакція Нуклеація та ріст наночасточокагломерація

Фізичні методи: аерозольний метод Розрідження у вакуумі з наступною конденсацією Недоліки:  необхідність високогоФізичні методи: аерозольний метод Розрідження у вакуумі з наступною конденсацією Недоліки: необхідність високого вакууму та дорого обладнання 21 метод молекулярних пучків; для одержання шарів повщиною до 10 нм; підкладка Молекулярні пучки Джерела з нагрівачами

Конденсаційні методи синтезу З газової фази з розчинів в нанореакторах - плазмохімічний метод; -Конденсаційні методи синтезу З газової фази з розчинів в нанореакторах — плазмохімічний метод; — Гідроліз у полум’ї; — Лазерне випаровування; — Аерозольна конденсація; — кріоконденсація — співосадження; — Золь-гель метод; — Сольвотермальний синтез; — Заміна розчинника; — Мікрохвильовий; — Швидкий термічний розклад; — кріохімічний метод; -обернені міцели; — в плівках Ленгмюрра – Блоджет; — Синтез в рідких кристалах; — Самозбірні шари.

Співосадження Етапи: - Приготування прекурсору; - Зневоднення; - Відпал. Сумісне осадження компонентів: - гідроксидів;Співосадження Етапи: — Приготування прекурсору; — Зневоднення; — Відпал. Сумісне осадження компонентів: — гідроксидів; — Оксалатів; — Карбонатів. Перваги: доступність, можливість одержання широкого кола сполук. Недоліки: широкий діапазон розмірів, включення домішок. 23 Mg 4 Nb 2 O 9 BАРозчин А Nb 2 O 5 + HF Розчин B Mg(NO 3 ) 2 p. H = 12 100 0 C 12 год 750 0 С 12 год

Золь-гель метод:  утворення міцелярних та полімерних гелів 24 Золь-гель метод: утворення міцелярних та полімерних гелів

25 Сольвотермальний синтез Проводять в автоклавах, частіше футерованих тефлоном;  Дозволяє отримувати продукти різної25 Сольвотермальний синтез Проводять в автоклавах, частіше футерованих тефлоном; Дозволяє отримувати продукти різної морфології та дисперсності залежно від варіювання температури, концентрації розчину, часу обробки. Zn. O, отриманий гідротермальним методом при різних C(Zn(NO 3 ) 2 ) = 0, 005 M C(Zn(NO 3 ) 2 ) = 0, 04 M C(Zn(NO 3 ) 2 ) = 0, 05 M

26 Кріохімія 26 Кріохімія

27 Діаграма стану ПАР - H 2 O - масло Сферичні  міцели. Циліндричні27 Діаграма стану ПАР — H 2 O — масло Сферичні міцели. Циліндричні міцели. Гексагональна упаковка Кубічна упаковка Кристали ПАР Обернена гексагональна упаковка Обернена кубічна упаковка Ламелярна структура Обернені циліндричні міцели Обернені сферичні міцели масло Неупорядковане середовище

Нанореактори:  упорядкована матриця,  реактор для здійснення хімічних перетворень в обмеженому об'ємі, Нанореактори: упорядкована матриця, реактор для здійснення хімічних перетворень в обмеженому об’ємі, розмір якого не перевищує 100 нм хоча б в одному напрямі і обмежений фізично розмірами елементів впорядкованої системи. Нанореактор Функція нанореакторів Попередження злиття та росту наночасточок при синтезі, контроль розміру продукту Класифікація За розмірністю утворених пор виділяють: нуль -, одно — та двомірні нанореактори

Обернені міцели Синтез в рідких кристалах Самозбірні шари Плівки Ленгмюра - Блоджет 29 Нанореактори:Обернені міцели Синтез в рідких кристалах Самозбірні шари Плівки Ленгмюра — Блоджет 29 Нанореактори:

Синтез у розчині: Синтез мезопористого Si. O 2 в середовищі рідкого кристалу Міцела ПАРСинтез у розчині: Синтез мезопористого Si. O 2 в середовищі рідкого кристалу Міцела ПАР Рідкий кристал ПАР Композит з Si. O 2 введення Si. O 2 Відпал у O 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ: — контрольований розмір пор (1 -100 нм), — однорідність розподілу пор за розміром; — упорядкованість пор, — синтез анізотропних систем, — ізольованість каналів-пор, — вирішення проблеми агрегації та хімічної ізоляції наночасточок.

Синтез наночасточок у впорядкованих матрицях:  нульвимірні одновимірні двовимірні 50 А Шаруваті подвійні гідроксиди:Синтез наночасточок у впорядкованих матрицях: нульвимірні одновимірні двовимірні 50 А Шаруваті подвійні гідроксиди: Цеоліти з порами чи каналами М m/n [(Al. O 2 ) x (Si. O 2 ) y ] × z. H 2 O

Електровзривний, плазмохімичний, механосинтез. Карбіди,  нітриди Електровзривний, плазмохімичний, лазерна абляція, Піроліз,  золь–гель, Електровзривний, плазмохімичний, механосинтез. Карбіди, нітриди Електровзривний, плазмохімичний, лазерна абляція, Піроліз, золь–гель, сольвотермальний. Оксидні наночасточки Методи синтезу. Тип Газосинтез, плазмохімічний. Кремній, силіциди Плазмохімічний, піроліз. Вуглецеві наноалотропи Детонаційний наноалмаз Електровзривний, плазмохімичний, лазерна абляція, механосинтез, кріохімія. Метали, сплави Методы синтеза. Тип. Вибір та оптимізація методу синтезу :

33 Яким шляхом піти для одержання необхідних наносистем?  33 Яким шляхом піти для одержання необхідних наносистем?

34 Короткі нотатки:  Методи синтезу наносистем класифікують за агрегатним станом реагентів,  за34 Короткі нотатки: Методи синтезу наносистем класифікують за агрегатним станом реагентів, за фізико-хімією взаємодій, за зміною розміру та енергетики; за зміною розмірів часточок виділяють диспергаційний (top-down) та конденсаційні (bottom-up) підходи. При виборі методів синтезу враховують методи стабілізації часточок, середовище (в міцелах, нанореакторах, в газовій суміші), можливість впливу домішок. Для певного класу наносистем е специфічні методи одержання. Наприклад, для наноалмазів – детонаційний

Рекомендована література: 1. C. -H. Yu, Kin Tam,  Edman S. C. Tsang ,Рекомендована література: 1. C. -H. Yu, Kin Tam, Edman S. C. Tsang , // Chemical Methods for Preparation of Nanoparticles in Solution// Handbook of Metal Physics, Volume 5, 2008, Pages 113– 141. 2. Н. А. Шабанова, В. В. Попов, П. Б. Саркисов. Химия и технология нанодисперсных оксидов. М. : Академкнига – 2006 — 309 с. 3. Методы получения наноразмерных материалов. Учеб. Пособие. – Екатеринбург – 2007. 4. Ю. Д. Третьяков, А. В. Лукашин, А. А. Елисеев. Синтез функциональных нанокомпозитов на основе твердофазных нанореакторов – Успехи химии — 73 (9) – 2004 – с. 974 -996. 5. А. А. Ремпель Нанотехнологии, свойства и применение наноструктурированных материалов. Успехи химии — 76(5) – 2007 – с. 474– 500.

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!
РЕГИСТРАЦИЯ