Физико-химические превращения и синтез наночастиц при термическом распылении и пиролизе в низкотемпературной плазме дугового разряда

• Автор: Зайковский, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 127 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Г ЛАВА 1. Методы синтеза наночастиц
1Л. Физико-химические методы синтеза наночастиц
1.2. Плазменно-дуговой метод синтеза наночастиц
1.3. Заключение по главе
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и методы исследований
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Методы исследований
2.3 Анализ физических процессов и оценка теплофизических параметров.
2.4 Заключение по главе
ГЛАВА 3. Плазменно-дуговой синтез наночастиц карбидов и оксидов
вольфрама
3.1 Свойства наночастиц карбидов и оксидов вольфрама
3.2 Методы синтеза наночастиц карбидов и оксидов вольфрама
3.3 Результаты экспериментов
3.4 Методики определения количественного фазового состава
3.5 Заключение по главе
ГЛАВА 4. Синтез наночастиц оксидов алюминия и церия
4.1 Свойства наночастиц оксида алюминия и оксида церия
4.2 Получение наночастиц оксида алюминия и оксида церия
4.3 Результаты экспериментов
4.4 Обсуждение результатов
4.5 Заключение по главе
ГЛАВА 5. Синтез углеродных наноструктур при пиролизе метана
5.1 Результаты экспериментов
5.2 Обсуждение результатов

5.3 Заключение по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Физико-химические и теплофизические свойства наноразмерных материалов отличаются от свойств массива и зависят от фазового состава и морфологии наноструктур. Поэтому научные
исследования свойств наночастиц и методов их синтеза постоянно расширяются. Достижения в области нанотехнологий определяют растущий спектр приложений наноматериалов.
Один из перспективных методов синтеза наноматериалов является метод дугового разряда. Метод основан на распылении до атомарного состояния одного из электродов. Охлаждение продуктов распыления при диффузии в буферном газе приводит к протеканию химических реакций и процессов конденсации, которые приводят к формированию наноструктур. Изменение условий горения дуги позволяет управлять процессом синтеза. Именно этим методом синтезируются углеродные нанотрубки и фуллерены. Распыление композиционного (металл - графит) материала позволяет синтезировать наночастицы металла на углеродной матрице.
Использование дуги постоянного тока между графитовыми электродами в среде буферного газа (обычно используется гелий при давлении 102 - 105 Па) позволяет получить температуры 4000 - 6000 °К. Этой температуры достаточно для разложения до молекулярного и атомарного состояния большинства химических соединений. Однако метод имеет ограничения для синтеза наночастиц тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. Кроме того, есть ограничения по составу буферного газа, так, наличие кислорода приводит к нежелательной реакции окисления графитового электрода. Поэтому одностадийный синтез наночастиц оксидов металлов в дуге с графитовыми электродами не используется. Высокие температуры в области дуги позволяют осуществить пиролиз молекулярных газов, входящих в состав буферного газа, и осуществить синтез наночастиц из

Для осуществления плазмохимического восстановительного синтеза, в азот-водородную плазменную струю температурой 3500-5000 °К вводится сырье - трехоксид вольфрама и газообразный углеводород. В результате комплекса физико-химических превращений, протекающих за времена порядка сотых долей секунды в объеме образуются наночастицы карбидов вольфрама [89]. В результате такого синтеза могут быть получены порошки различных карбидов вольфрама со средним размером частиц порядка 7нм.
Другой плазмохимический метод заключается в следующем. С помощью электрической дуги испаряется вольфрамовый катод. Для получения карбидных соединений применяются газообразные углеводороды, которые разлагаются в рабочем объеме с образованием атомарного углерода, вступающего во взаимодействие с ионами металла.
В результате такого синтеза образуется наноматериал из карбида вольфрама с характерным размером порядка 50 нм [90].
Высокотемпературный электрохимический синтез происходит в электролите, содержащем ионы вольфрама и углерода. В основе этого метода лежат многоэлектронные электрохимические процессы совместного или последовательного выделения вольфрама и углерода на катоде и их последующего взаимодействия на атомарном уровне с образованием наночастиц карбида вольфрама со средним размером порядка 200нм [91, 92].
В свою очередь трехоксид вольфрама получается при окислении металлического вольфрама при температурах выше 500 °С: 2¥+302=2УОз. Также существует способ получения ¥03 при разложении вольфрамовой кислоты, или паравольфрамата аммония при температурах порядка 500-800 °С: (Ш4)1о[Н2^2С>42]'4Н20 = 12 WOз + 10 Ш3 + 11 Н20;
У03*Н20 = Н20 + \Юз [98].