Спосіб регулювання розмірів нанооксидів металів, отримуваних методом газодисперсного синтезу

Реферат: Винахід належить до області неорганічної хімії, а саме до отримання нанооксидів металів. Спосіб контрольованого регулювання розміру нанооксидів металів, отримуваних методом газодисперсного синтезу полягає в уведенні до вихідного порошку металу атомів елементів або хімічних сполук лужних металов, які легко термічно іонізуються в зоні горіння пилового полум'я. Іонізація полум'я суттєво впливає на процес конденсації продуктів газофазного згоряння металів, а управління ступенем іонізації в системі дозволяє в широких межах регулювати дисперсність цільових продуктів синтезу. Спосіб є екологічним, безперервним, не потребує додаткових витрат енергії, має високу технологічність, може бути легко реалізованим для виробництва порошків нанооксидів металів заданої дисперсності. UA 114963 C2 (12) UA 114963 C2 UA 114963 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області неорганічної хімії, а саме до отримання нанооксидів металів, котрі можуть бути використанні як компоненти для виробництва конструкційної та функціональної кераміки, композитних матеріалів, у хімічній та легкій промисловості, як абразиви для суперфінішної обробки поверхні, як каталізатори в хімічних реакціях та інше. Відомі на сьогоднішній день методи отримання нанопорошків оксидів металів такі як плазмені, методи парофазного синтезу (Physical Vapor Synthesis-PVP [1]), Gas Phase Condensation, полягають у тому, що вихідний метал або хімічна сполука випаровуються за допомогою плазми чи електронагрівників. Пари металу взаємодіють з атомами окислювача з утворенням нанокристалічних оксидів металів. До головних недоліків цих методів можна передусім віднести їх трудомісткість, необхідність використання спеціального устаткування, високу собівартість та неможливість отримання наночастинок заданого розміру. Як найближчий аналог (прототип) вибрано спосіб отримання нанопорошків оксидів металів за допомогою методу газодисперсного синтезу (ГДС) [2]. Суть цього методу полягає в тому, що порошок вихідного металу диспергується в спеціальному пристрої кисневмісним газом, отриманий газозавис утворює на зрізі пальника стаціонарний ламінарний двофазний факел. Двофазне полум'я є джерелом наночастинок оксидів металів. Суттєвим недоліком даного способу є слабка залежність дисперсних властивостей продуктів згорання від параметрів хімічного реактора (концентрації металевого пального і окислювача, дисперсності пального, типу несучого газу, початкової температури газозавису), а також способу організації процесу спалювання та неможливість отримання наночастинок заданого розміру. В основу виноходу, що заявляється, поставлено задачу розробки ефективного способу регулювання дисперсного складу продуктів газодисперсного синтезу наночастинок оксидів металів, який не впливає на хімічний і фазовий склад цільових продуктів синтезу. Поставлена задача вирішується способом отримання наночастинок оксидів металів заданого розміру в пиловому полум'ї металів, який полягає у спалюванні газосуспензії відповідного металу в кисневмісному газі і відрізняється тим, що у вихідну суміш газодисперсного синтезу додаються домішки атомів лужних металів, що легко термічно іонізуються. Це дозволяє в широких межах регулювати дисперсність цільових продуктів синтезу варіацією концентрації атомів домішки. Загальними рисами винаходу, що заявляється, та прототипу є однакова технологічна схема отримання наночастинок оксидів металів шляхом спалювання газозависів мікродисперних частинок відповідних металів у дифузійному або попередньо перемішаному пиловому полум'ї. Відмінною рисою винаходу є суттєве порівняно з прототипом штучне збільшення ступеня іонізації двофазного середовища в зоні горіння пилового полум'я, що досягається варіацією концентрації атомів лужних металів, які вводяться в дисперсне горюче. На відміну від прототипу, де має місце тільки термічна іонізація полум'я за рахунок термоабо фотоемісії електронів, ступінь якої мало залежить від умов синтезу, домішки атомів лужних металів суттєво збільшують ступінь іонізації газової та конденсованої фаз, що приводить до збільшення швидкості утворення зародків конденсованої фази та зменшенню швидкості коагуляції однойменно заряджених частинок конденсованої фази. Даний спосіб реалізується таким чином. На фіг. 1(а) відображено схему установки. Заздалегідь підготовлене пальне, котре складається з порошку металу, оксид якого належить отримати, та іонізуючих домішок розпиляється інертним або кисневмісним газом в блоці (1) і подається по внутрішній циліндричній трубі (2) "пилового" пальника до зони згорання. На зрізі пальника реакційна суміш підпалюється полум'ям пропанового пальника і на зрізі (3) встановлюється дифузійний двофазний факел. Продукти згорання, уловлюються системою відбору (4). Типовий вид факела алюмінію (5) приведено на фігурі 1(б). Зона горіння факела є гомогенною та має ширину 12 мм, в цій вузькій зоні відбуваються всі процеси горіння та фазоутворення. Ширина є однаковою по всій поверхні горіння, як наслідок, умови утворення цільового продукту однакові по всій зоні горіння. Випробування способу проводились в Інституті горіння та нетрадиційних технологій ОНУ імені 1.1. Мечникова. Для синтезу нанооксиду алюмінію як пальне був використаний промисловий порошок алюмінію АСД-4, із середнім діаметром частинок =4,8 мкм. Порошок металу перемішувався з водним розчином солі, яка містить атоми іонізуючої домішки. Після просушування порошку алюмінію з домішкою в сушильній шафі при температурі 80 С порошок перетирався і просіювався. Подачу підготовленого палива здійснювали азотом (N 2) 9799 %-ої чистоти, як окиснювач застосовувався технічний кисень (O 2) 95 %-ої чистоти. 1 UA 114963 C2 5 10 15 20 25 Для визначення дисперсного складу продуктів згорання використовувався метод електронної мікроскопії. Приклади типових мікрофотографій зразків приведені на фіг. 2. Приклад 1. 3 Синтез Аl2О3 без домішок проводився за умов: об'ємна концентрація азоту W N=150 cм /c, 3 3 об'ємна концентрація кисню W О2=200 см /с, масова концентрація алюмінію mAl=2,32,7 г/см . Отриманий середньоарифметичний розмір сферичних частинок оксиду алюмінію склав d10=103 нм. Приклад типової ТЕМ мікрофотографії частинок оксиду алюмінію приведено на фіг. 2а. Приклад 2. 3 Синтез Аl2О3 проводився за умов: об'ємна концентрація азоту W N=150 см /с, об'ємна 3 3 концентрація кисню W О2=200 см /с, масова концентрація алюмінію mAl=2,32,7 г/см , 19 -3 концентрація атомів калію NK=0,2×10 см . Отриманий середньоарифметичний розмір d10=40нм. Приклад типової ТЕМ мікрофотографії частинок оксиду алюмінію приведено на фіг.2б. Приклад 3. 3 Синтез Аl2О3 проводився за умов: об'ємна концентрація азоту W N=150 см /с, об'ємна 3 3 концентрація кисню W О2=200 см /с, масова концентрація алюмінію mAl=2,32,7 г/см , 19 -3 концентрація атомів калію NK=0,3×10 см . Отриманий середньоарифметичний розмір d10=34,5 нм. Приклад типової ТЕМ мікрофотографії частинок оксиду алюмінію приведено на фіг. 2в. Приклад 4. 3 Синтез Аl2О3 проводився за умов: об'ємна концентрація азоту W N=150 см /с, об'ємна 3 3 концентрація кисню W О2=200 см /с, масова концентрація алюмінію mAl=2,32,7 г/см , 19 -3 концентрація атомів калію NK=0,4×10 см . Отриманий середньоарифметичний розмір d10=21 нм. Приклад типової ТЕМ мікрофотографії частинок оксиду алюмінію приведено на фіг. 2г. Як можна побачити з фотографій, морфологія частинок із збільшенням концентрації добавки не змінювалась. Параметри розподілу частинок оксиду алюмінію по розмірах при різній концентрації калію приведені у таблиці 1. Таблиця 1 Концентрація атомів калію, NK10 см Середньоарифметичний розмір d10 нм Середньоповерхневий розмір d20, нм Середньооб'ємний розмір d30, нм Найбільш вірогідний розмір dn, нм Дисперсія розподілу D, нм 19 30 35 -3 0 103 126 150 62 73 0,2 40 42 45 39 14 0,3 34,5 38 40 16 34 0,4 21 22 24,5 9 20 Отримані методом ГДС продукти згорання порошку алюмінію з добавкою аналізувалися на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-3М. Обробка рентгенограм дозволила встановити, що продуктом згорання у всіх випадках є оксид алюмінію модифікації γ- Аl2О3. Наведені в таблиці дані свідчать, що пропонований винахід дозволяє варіювати середній розмір наночастинок ГДС - оксиду алюмінію до 5 разів при варіації вмісту атомів лужних металів в межах всього 0-0,4 % по масі. За методом прототипу такий результат є неможливим ні при яких макропараметрах двофазної системи. В результаті спосіб, запропонований у винаході, дозволяє розв'язати поставлену задачу керованого регулювання в широких межах розмірів первинних глобул цільових продуктів синтезу - наночастинок оксидів різних металів. 40 45 Джерела інформації: 1. Mattox, D. М. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing: Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control; Noyes Publications, New Jersey, 1998. 2. Я.И. Вовчук. Способ получения ультрадисперсного порошка оксида металла. Патент RU 1822397 опубл. 15.06.91 Бюл. № 22. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 Спосіб регулювання розмірів нанооксидів металів, отримуваних методом газодисперсного синтезу, який полягає у спалюванні газосуспензії відповідного металу в кисневмісному газі, який відрізняється тим, що у вихідну суміш газодисперсного синтезу додають домішки атомів лужних металів, що легко термічно іонізуються. 2 UA 114963 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3