О создании новых композиционных материалов на основе наночастиц металлов и диоксида кремния

При решении ряда научно-технических задач приходится сталкиваться с необходимостью перехода на композитные материалы с новыми свойствами. Речь идет об оптических, акустических, тепловых и других свойствах, которые могут кардинально изменяться в композитах при сравнении с известными и широко применяемыми материалами.

В данной статье рассматривается возможность создания нанокомпозитного материала, состоящего из наночастиц закиси меди (куприта) Cu2O и диоксида кремния SiO2. Cu2O был использован нами на начальном этапе для отработки методики получения нанокомпозитных материалов. Размеры кристаллов Cu2O не превосходят величины 100 нм (прохождение через поры плотных химических фильтров) [1, 2].

Для получения данного вещества мы использовали гидроксид меди (II), приготовленный непосредственно перед опытом. Для его получения прибавили к раствору сульфата меди CuSO4 гидроксид натрия NaOH:

CuSO 4 + 2NaOH → Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4

К жидкости со светло-голубым осадком гидроксида меди (II) Cu(OH)₂ прибавили жидкость, содержащую альдегид, а затем нагрели смесь. Таким образом, сначала получили коллоидный желтый осадок гидроксида меди (I) CuOH, который (из-за нестойкости) превратился в красный оксид меди (I) Cu 2 O.

Окончательное превращение достигалось нагреванием раствора:

2CuOH → Cu 2 O + H 2 O

Данная реакция еще известна под названием «реакция медного зеркала» (рис. 1) [3].

Таким образом, основной задачей наших исследований является создание нанокомпозитного материала: полупроводник (Cu 2 O) – диэлектрик, где наночастицы оксида распределены по объему матрицы диоксида кремния, и изучение акустических и оптических свойств полученного композита в зависимости от размера, формы и степени распределения (агрегатирования) нановключений.

Еще раз отметим неслучайность выбора Cu 2 O из-за аналогии с Ag 2 O [4]. Имеется в виду возможность начального исследования комбинаций имеющихся материалов, а на основе полученного опыта создание уже Ag-содержащего нанокомпозита. Нами рассматривается возможность создания аналога Cu 2 O – закиси серебра Ag 2 O (в коллоидном состоянии), а уже из него получения (из-за необратимого разложения при высокотемпературной обработке) наносеребра. В данном случае мы будем иметь возможность предварительно обработать SiO₂ коллоидной закисью серебра Ag₂O в разных пропорциях с последующим спеканием или сплавлением полученного состава для разложения оксида и придания составу нанокомпозитных свойств.

На сканирующем зондовом микроскопе Solver Next были получены фотографии наночастиц закиси меди. На рис. 2. представлены результаты исследования. Видно, что размер наночастиц Cu2O имеет порядок 100 нм. Вызывает интерес получение композитных материалов из наночастиц диоксида кремния и закиси меди при различных концентрациях, размерах и распределении в композите.

Рис. 1. Реакция «Медное зеркало»

Рис. 2. Микрофотографии закиси меди, полученные на сканирующем зондовом микроскопе Solver Next.

Рис. 3. Электронная фотография нанопорошка диоксида кремния

Рис. 4. Схема установки: 1-пылепитатель; 2-парогенератор; 3,4-механизм подачи электрода; 5-источник питания плазмотрона; 6-электромагнитная катушка; 7-источник питания электромагнитной катушки; 8-реактор; 9-камера разделения; 10-камера сгорания; 11-скруббер; 12- фильтр очистки газа; 13-система водяного охлаждения и очистки газа; 14- шлакосборник; 15-основание

Ранее в ходе выполнения проекта РФФИ (проект РФФИ 07-02-90103-Монг-а) был получен нанопорошок диоксида кремния путем радиационного воздействия электронных пучков на твердотельный SiO₂ с последующим быстрым охлаждением высокотемпературного пара и конденсацией вещества в виде наночастиц (рис. 3). При данном виде обработки вещества испаряются под воздействием мощного релятивистского концентрированного пучка электронов при атмосферном давлении. Далее высокотемпературный пар быстро охлаждается несущим газом, вещество конденсируется и затвердевает в виде наночастиц, которые улавливаются и в окончательном виде образуют порошкообразный целевой продукт. Универсальность применяемого способа в возможности получения различных классов веществ при относительно высокой производительности налицо. К настоящему моменту получены нанодисперсные порошки: оксидов – диоксида и оксида кремния (SiO 2 , SiO) [5, 6].

Нами планируется применение низкотемпературной плазмы для плавления нанопорошков SiO 2 с добавками Ag₂O или наночастиц Ag для получения нанокомпозитного материала на плазменной установке для плавления различных тугоплавких материалов. Новизна метода переработки низкотемпературной плазмой определяется безинерционным плавлением тугоплавких материалов, высокой скоростью физических превращений, высокой текучестью расплава и чистотой получаемого материала. Установка представляет собой плазменный реактор, который содержит стержневой катод и цилиндрический анод, служащий тиглем для расплава тугоплавких порошковых материалов (рис. 4). Измельченный материал попадает в плазменный реактор сверху через отверстие в крышке реактора, в нижней части плазменного реактора расположен лоток, через который вытекает расплав. Наиболее близким аналогом является плазменный реактор для переработки мелкодисперсных частиц угля с целью получения нанопористых сорбционных материалов [7]. Планируется применение данного типа плазменного реактора [8], в котором плавили тугоплавкие материалы (базальт, стекло, золошлаки) для плавления нанокомпозитов диоксида кремния с металлическими нановключениями.

Таким образом, ближайшей задачей является получение композитного материала методами прессования, спекания и сплавления нанопорошков и проведение сравнительного анализа свойств новых композитных наноматериалов, полученных данными способами. Для характеризации полученных объектов мы используем методы просвечивающей электронной микроскопии для определения размера и формы наночастиц в композите; оптическую спектроскопию для определения электронной структуры полученных объектов; порошковую рентгеновскую дифракцию для структурных исследований.

Все вышеуказанное определяет перспективу конечного результата – разработку метода получения нанокомпозитных материалов с новыми свойствами на основе наночастиц диоксида кремния и благородных металлов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 09-02-00748а.