Введение

На сегодняшний день область применения наноразмерных и наноструктурированных порошков на основе переходных металлов постоянно расширяется. Такие материалы находят применение в качестве магнитных жидкостей, катализаторов, широко используются в медицине и биологии.

Для получения нанопорошков переходных металлов используют как физические, так и химические методы. Большинство физических методов получения нанопорошков требуют наличия специального сложного дорогостоящего оборудования, при этом трудно контролировать химических состав конечного получаемого продукта. В связи с этим наибольшее распространение получили химические методы синтеза. Они отличаются технологической простотой и экономичностью, а также возможностью регулировать процесс получения порошков на каждой стадии. При этом конечный продукт не загрязнен посторонними примесями и обладает заданными характеристиками.

Наиболее распространенным методом получения нанопорошков металлов, а также их систем является химическое восстановление соответствующих солей сильным восстановителем таким, как гидразингидрат [1-26].

Результаты и их обсуждение

Нанопорошки никеля получали восстановлением малорастворимого карбоната никеля водным раствором гидразингидрата [27-29]. Процесс восстановления проводили при нагревании. Также варьировали концентрацию восстановителя от 0,2–2,5 моль/л.

Полученные таким способом нанопорошки подвергались комплексному исследованию. Фазовый состав и дисперсную структуру исследовали методами малоугловой и широкоугловой рентгенографии [27]. Информацию о рельефе поверхности, размере и форме агломератов получали при помощи растровой электронной микроскопии.

Рентгенофазовый анализ показал, что образцы представляют собой рентгенографический никель, оксидных или гидроксидных фаз обнаружено не было [27, 28]. Согласно результатам рентгенофлуоресцентного анализа содержание никеля в образцах составляет не менее 95 масс.%.

Было изучено влияние условий получения, в частности, концентрация восстановителя и температурный режим, на процесс восстановления и форморазмерные характеристики нанопорошков никеля. В зависимости от количества гидразина для порошков никеля наблюдается незначительное увеличение размера нанокристаллитов и уменьшение среднего размера агломератов [27]. Повышение температуры приводит к значительному росту скорости восстановления, при этом размер агломератов уменьшается. Был выбран оптимальный температурный интервал, который составил 80-95ºС [30-32].

Результаты, полученные методом малоуглового рассеяния рентреновских лучей (МУР) показали, что функции распределения частиц никеля по размерам независимо от условий синтеза (концентрации восстановителя, температуры) имеют бимодальное распределение. Первый пик функции распределения лежит в области до 40 нм. Положение максимума в зависимости от условий получения варьируется в диапазоне от 5 до 20 нм. Второй максимум, гораздо более широкий и пологий, находится в интервале 100–700 нм. Независимо от формы агломератов и условий синтеза порошков, характер и положение первого пика идентичны для всех образцов. Это может говорить о наличие тонкой структуры – нанокристаллитов, из которых складываются разные виды агломератов. Второй максимум, по-видимому, имеет агрегационную природу и характеризует размеры агломератов [27, 32].

Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM6390 SEM было установлено, что порошки никеля представляют собой сложные агломераты сферической формы, имеющие микронный размер и состоящие из наноразмерных составных частей.

Сопоставляя результаты, полученные различными методами, можно сделать заключение о том, что морфология частиц никеля, полученных восстановлением малорастворимых карбонатов, описывается в рамках многоуровневой пространственной организации порошков: нанокристаллиты размером до 40 нм, которые слагаются в агломераты I уровня, имеющие размеры 100–700 нм. Эти агрегаты, в свою очередь, могут ассоциироваться в более крупные частицы II уровня микронных размеров, которые способны к взаимодействию между собой с образованием рыхлых агломератов III уровня [27].

 Заключение

Приведенные результаты показывают, что метод химического восстановления малорастворимых карбонатов с использованием гидразингидрата в качестве восстановителя позволяет получать наноструктурированные порошки никеля высокой чистоты. Установлено, что условия получения такие, как концентрация восстановителя и температура, оказывают влияние на размер частиц. Получаемые таким способом нанопорошки никеля имеют многоуровневую пространственную морфологию.

1. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Додонов В.Г., Васильева О.В., Просвирин И.П., Богомяков А.С., Попова А.Н., Ростовцев Г.А., Датий К.А., Зюзюкина Е.Н. Особенности свойств наноразмерных порошков многокомпонентных систем переходных металлов // Cборник: Функциональные материалы и высокочистые вещества Труды IV Международной конференции. 2012. С. 44-46.
2. Zakharov Y.A., Pugachev V.M., Popova A.N., Dodonov V.G., Karpushkina Y.V., Tolochko B.P., Bogomyakov A.S., Kriventsov V.V. Structure of nanosize bimetals Fe-Co and Fe-Ni // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2013. Т. 77. № 2. С. 142-145.
3. Датий К.А., Зюзюкина Е.Н., Попова А.Н., Захаров Ю.А., Пугачев В.Г., Додонов В.М. Наноразмерные порошки смешанных гидроксидов металлов подгруппы железа // Письма о материалах. 2015. Т. 5. № 1 (17). С. 105-109.
4. Пугачев В.М., Попова А.Н., Зюзюкина Е.Н., Захаров Ю.А. Исследование продуктов синтеза наноразмерных систем Fe-Co // Вестник Кемеровского государственного университета. 2012. № 4-2 (52). С. 174-180.
5. Попова А.Н. Синтез и физико-химические свойства наноразмерных систем Fe-Co и Fe-Ni // Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. хим. наук, Кемерово. 2011. 16 с.
6. Кагакин Е.И, Лапсина П.В., Додонов В.Г. Формирование структуры металлического серебра в процессе электрохимического восстановления микрокристаллов AgHal // Вестник Кемеровского государственного университета. 2008. №2(34). С.224-227.
7. Захаров Ю.А., Попова А.Н., Пугачев В.М., Колмыков Р.П., Додонов В.Г. Наноразмерные твердые растворы на основе металлов группы железа // Роснанотех 09 / Rusnanotech 09 Сборник тезисов докладов участников II Международного форума по нанотехнологиям. 2009. С. 364-367.
8. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Додонов В.Г. Формирование наночастиц металлического серебра при химическом восстановлении микрокристаллов AgHal // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2010. № 6. С.130-133.
9. Захаров Ю.А., Попова А.Н., Пугачев В.М., Додонов В.Г. Наноразмерные порошки системы железо-кобальт // Cборник: Свиридовские чтения Сборник статей V конференции по химии и химическому образованию. 2010. С. 24-32.
10. Лапсина П.В., Додонов В.Г., Пугачев В.М., Кагакин Е.И. Получение ультрадисперсного кобальта восстановлением кристаллического карбоната кобальта // Вестник КемГУ. 2012. № 4-1 (52). С. 267-271.
11. Попова А.Н., Захаров Ю.А. Способ получения наноразмерных порошков твердого раствора железо-кобальт // патент на изобретение RUS 2432232 05.04.2010
12. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Попова А.Н., Ростовцев Г.А., Богомяков А.С. Структурные и магнитные свойства наноразмерной системы Fe-Co // Вестник Кемеровского государственного университета. 2013. № 3-3 (55). С. 80-82.
13. Датий К.А., Попова А.Н., Зюзюкина Е.Н. Влияние температуры на фазовый состав наноструктурированной системы Fe-Co-Ni // Вестник Кемеровского государственного университета. 2014. № 4-3 (60). С. 130-134.
14. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Кривенцов В.В., Попова А.Н., Толочко Б.П., Богомяков А.С., Додонов В.Г., Карпушкина Ю.В. Структура наноразмерных биметаллов Fe-Co и Fe-Ni // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 2. С. 164-167.
15. Попова А.Н. Наноразмерные порошки систем железо-кобальт и железо-никель: получение и некоторые свойства // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2008. Т. 5. № 2. С. 109-114.
16. Кагакин Е.И., Лапсина П.В., Пугачев В.М., Додонов В.Г., Созинов С.А. Получение наноразмерных двойных систем Ni-Co // Ползуновский вестник. 2014. №3. С.151-154.
17. Захаров Ю.А., Пугачёв В.М., Додонов В.Г., Попова А.Н. Наноразмерные металлы группы железа // Cборник: Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-10) Международная конференция: доклады: в 2 томах. ответственный редактор Е. И. Кагакин. 2007. С. 293-299.
18. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Додонов В.Г. Получение наноструктурированных порошков серебра, никеля и кобальта из их кристаллических солей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 4-5. С. 1414-1417.
19. Захаров Ю.А., Попова А.Н., Пугачев В.М., Додонов В.Г., Колмыков Р.П. Наноразмерные металлы группы железа и их взаимные двухкомпонентные системы // Роснанотех 08. I Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. 2008. С. 759-761.
20. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Додонов В.Г., Пугачев В.М. Получение наноструктурированных порошков серебра из дисперсий AgBr // Бутлеровские сообщения. 2015. Т.43. №7. С. 29 – 32.
21. Zaharov Y.A., Pugachev V.M., Dodonov V.G., Popova A.N., Kolmykov R.P., Rostovtsev G.A., Vasiljeva O.V., Zyuzyukina E.N., Ivanov A.V., Prosvirin I.P. Nanosize powders of transition metals binary systems // Journal of Physics: Conference Series. 2012. Т. 345. № 1. С. 012024.
22. Popova A.N. Synthesis and characterization of iron-cobalt nanoparticles // Journal of Physics: Conference Series. 2012. Т. 345. № 1. С. 012030.
23. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Попова А.Н, Додонов В.Г. Получение наноструктурированных оксидов никеля и кобальта // Бутлеровские сообщения. 2015. Т.44. №11. С. 55- 59.
24. Захаров Ю.А., Попова А.Н., Пугачев В.М. Фазовый состав наноразмерных порошков системы железо-кобальт // Ползуновский вестник. 2009. № 3. С. 60-62.
25. Попова А.Н., Захаров Ю.А., Пугачёв В.М., Додонов В.Г. Плотность наноразмерных порошков систем железо – никель и железо – кобальт // Перспективные материалы. 2011. № 13. С. 699-704.
26. Захаров Ю.А., Попова А.Н., Пугачёв В.М. Образование твёрдых растворов железо-кобальт // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2010. Т. 7. № 3. С. 32-35.
27. Лапсина П.В. Наноструктурированные порошки Ni, Co и системы Ni-Co, полученные восстановлением кристаллических карбонатов водным раствором гидразингидрата // Автореферат дис. на соискание ученой степени канд. хим. наук. КемГУ, Кемерово. 2013.
28. Лапсина П.В, Кагакин Е.И, Додонов В.Г., Пугачев В.М., Созинов С.А. Наноструктурированные порошки никеля: получение и некоторые свойства // Ползуновский вестник. 2014. № 3. С. 147-150.
29. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Додонов В.Г., Пугачев В.М. Химическое восстановление малорастворимых солей никеля и кобальта с получением наноструктурированных металлов // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 32. № 13. С. 55-59.
30. Кагакин Е.И., Лапсина П.В., Додонов В.Г., Пугачев В.М. Влияние температуры процесса восстановления карбоната никеля на характеристики ультрадисперсного никеля // Вестник КемГУ. 2012. № 4-1 (52). С. 264-267.
31. Lapsina P., Kagakin E., Popova A., Vladimirov A., Sachkov V. Effect of synthesis Conditions on Size Characteristics of Nickel and Cobalt Nanostructured Powders // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 683. pp. 181-186.
32. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Попова А.Н., Додонов В.Г. Влияние условий получения на форморазмерные характеристики наноструктурированных порошков никеля и кобальта // Письма о материалах. 2015. Т.5. №4. С. 394-398.

Все статьи автора «h991»