Спосіб синтезу наноструктур оксиду міді в наносекундному розряді з електролітичним електродом

Реферат: Спосіб синтезу наноструктур оксиду міді в наносекундному розряді з електролітичним електродом, що включає подання імпульсів високої напруги наносекундної тривалості на металевий та рідинний електроди, причому для синтезу наноструктур оксиду міді використовують біполярний сильнострумовий наносекундний розряд між системою металевих лез і поверхнею розчину мідного купоросу в дистильованій воді, що дозволяє одержувати з кожного леза однорідну листову плазму, яка інтенсивно випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектра і є джерелом радикалів гідроксилу, під дією яких розчин мідного купоросу синього кольору трансформується в колоїдний розчин наночастинок оксиду міді зеленого кольору. UA 120072 U (12) UA 120072 U UA 120072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізики низькотемпературної плазми й нанотехнологій та може застосовуватись в плазмохімічних реакторах із синтезу наночастинок на основі оксидів металів. Відомий спосіб одержання колоїдних розчинів на основі дистильованої води та наноструктур оксидів міді, який отримувався при абляції поверхні металевих мішеней у дистильованій воді за допомогою випромінювання потужного лазера на парах міді [1]. Лазер працював на двох довжинах хвиль 510 та 578 нм одночасно і генерував імпульси тривалістю 20-25 нс при частоті їх слідування 10 кГц. Середня потужність лазерної генерації знаходилась в діапазоні 9-15 Вт. Основними недоліками такого способу є висока вартість лазерної установки, необхідність у залученні висококваліфікованого обслуговуючого персоналу, значні витрати електроенергії, невелика площа взаємодії сфокусованого лазерного променя з поверхнею металевої мішені, що приводить до малого виходу наночастинок оксидів міді. На пізніх стадіях існування плазми лазерного факела, вона екранує мішень від дії лазерного променя і знижує вихід наночастинок в розчин. Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб синтезу наночастинок на основі оксидів міді і цинку за допомогою іскрового або дугового розряду в рідині (вода, етанол) [2]. Імпульсний розряд запалювали між двома металевими електродами діаметром 6 мм, які 3 встановлювали на глибині 3 см в кюветі об'ємом 100 см . Робочими рідинами в реакторі служили дистильована вода, етанол і розчин солі хлориду міді у воді. Оптимальна віддаль між електродами була рівною 0,3 мм. Максимальний струм іскрового розряду досягав 60 А при тривалості імпульсу 30 мкс. В дуговому розряді у рідині тривалість імпульсів струму досягала 4 мс, а їх амплітуда сягала 10 А. Основним недоліком такого способу є швидке випаровування в рідині металевих електродів малого діаметра (1-3 мм), що приводить до збільшення віддалі між електродами. Тому виникає необхідність в облаштуванні реактора спеціальною системою автоматичної підтримки сталої міжелектродної віддалі. При збільшенні діаметра металевих електродів запалювання просторово однорідного наносекундного розряду у воді повинно супроводжуватись попередньою обробкою води плазмохімічного реактора потужним ультразвуковим випромінюванням. Задача корисної моделі полягає у вдосконаленні способу синтезу наноструктур оксиду міді в сильнострумовому наносекундному розряді у повітрі атмосферного тиску, який запалюється над поверхнею розчину солі мідного купоросу в дистильованій воді, що дозволяє одержувати замість розчину мідного купоросу синього кольору колоїдний розчин наноструктур оксидів міді зеленого кольору. Зелений колір розчину після обробки його поверхні розрядом відповідає максимуму плазмонного резонансу наноструктур оксидів міді. Даний спосіб синтезу наноструктур характеризується досить великою площею поверхні розчину, яка піддається обробці сильнострумовим наносекундним розрядом і високим ресурсом металевих електродів. Під дією потужного ультрафіолетового випромінювання розряду і електронів плазми утворюються радикали гідроксилу, які проникаючи в розчин стимулюють утворення наноструктур оксиду міді з катіонів міді мідного купоросу та атомів кисню, що появляються в розчині при гомолізі молекул води. Поставлена задача вирішується таким чином, що запропоновано спосіб синтезу наноструктур оксиду міді в наносекундному розряді з електролітичним електродом, що включає подання імпульсів високої напруги наносекундної тривалості на металевий та рідинний електроди, який відрізняється тим, що для синтезу наноструктур оксиду міді використовують біполярний сильнострумовий наносекундний розряд між системою металевих лез і поверхнею розчину мідного купоросу в дистильованій воді, що дозволяє одержувати з кожного леза однорідну листову плазму, яка інтенсивно випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектру і є джерелом радикалів гідроксиду під дією яких розчин мідного купоросу синього кольору трансформується в колоїдний розчин наночастинок оксиду міді зеленого кольору. У найприйнятливішому прикладі реалізації способу в системі живлення розряду використовують імпульсний водневий тиратрон замість газового розрядника, який дозволяє збільшити ресурс роботи і частоту повторення імпульсів струму в плазмохімічному реакторі, що сприяє зменшенню часу синтезу наноструктур оксиду міді. Перевагами даного способу синтезу наноструктур оксиду міді в колоїдному розчині на основі дистильованої води є запалювання просторово однорідного розряду в повітрі атмосферного тиску з використання металевого електрода на основі системи лез та рідинного електрода, висока площа поверхні розчину, піддається обробці, висока однорідність набору модулів з листової плазми, яка прив'язана до кожного з лез і замикається на рідинний електрод, низька вартість металевого анода і простота його виготовлення, а також високий ресурс роботи пристрою при частотах слідування імпульсів до 1 кГц. 1 UA 120072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб реалізується таким чином. Для збудження наносекундного розряду у вологому повітрі атмосферного тиску між кінчиками металевих лез та водяним електродом застосовувався генератор біполярних наносекундних імпульсів високої напруги з резонансною перезарядкою накопичувального малоіндуктивного конденсатора ємністю 1540 пФ. Тривалість імпульсів напруги складала 50-100 нс, а їх амплітуда досягала ±20-40 кВ. Комутатором в модуляторі служив водневий імпульсний тиратрон ТГИІ-1000-25. Імпульси напруги з модулятора підсилювались в чотири рази за допомогою імпульсного кабельного трансформатора. Реєстрація світлин розряду здійснювалась за допомогою цифрового фотоапарата. Спектри випромінювання розряду реєструвались за допомогою монохроматора МДР-2 і фотопомножувача "ФЭУ-106". Спектрофотометр попередньо калібрувався за випромінюванням дейтерієвої і "банд" ламп, що дозволяло в спектральній області 200-650 нм реєструвати відносні інтенсивності окремих спектральних ліній чи молекулярних смуг. На фіг. 1 наведена конструкція імпульсного газорозрядного пристрою з електродом на основі розчину мідного купоросу в дистильованій воді при вмісті солі в розчині на рівні 1-20 %. Пристрій складався з кювети з оргскла (1), системи регулювання віддалі між металевим і водяним електродами (2), кріплень електрода (3), системи з 15 нержавіючих лез (4), суцільного металевого електрода, розміщеного під шаром електроліту (5), розчину мідного купоросу в дистильованій воді (6), кварцового вікна (7) та екрана з металевої сітки (8). Площа робочої 2 поверхні металевого електрода з лез складала 2,5×4 см , а міжелектродна віддаль регулювалась в діапазоні 3-15 мм. Імпульсний газорозрядний пристрій з електролітичним електродом працює наступним чином. При поданні на електроди пристрою наносекундних імпульсів напруги амплітудою ±(2040) кВ, між кінчиками лез і поверхнею водяного електрода запалювався розряд в формі п'ятнадцяти однорідних плазмових листів. Плазмові листи були однорідними при міжелектродній віддалі в діапазоні 3-12 мм. При сильнострумовому наносекундному розряді над поверхнею розчину мідного купоросу у дистильованій воді у вологому повітрі утворюються хімічно активні частки, які мають значний потенціал до окислення. До таких часток належать радикали гідроксилу (ОН), атоми водню (Н) та кисню (О). Ці радикали утворюються в плазмі на основі вологого повітря в наступних реакціях: е + Н2О  е + Н + ОН, (1) 1 e+O2  e+O( D) + O, (2) 1 O( D) + Н2О  2 ОН. (3) Частина радикалів ОН та О проникає в розчин і при взаємодії з міддю утворює молекули оксиду міді. Об'єднання окремих молекул оксиду міді між собою в процесах нуклеації приводить до утворення наноструктур оксиду міді різних розмірів, які поступають в розчин. З часом найбільші наночастинки оксиду міді (діаметром більшим за 1 мкм) випадають в осад у вигляді твердотільної дрібнодисперсної фракції, а наночастинки оксиду міді діаметром 10-50 нм залишаються в складі колоїдного розчину. Після випаровування води і фільтрування твердих мікрочастинок великого діаметра, можливе одержання дрібнодисперсного твердого нанопорошку оксиду міді в макроскопічній кількості. Експериментальні дослідження сильнострумового наносекундного розряду над поверхнею розчинів солі мідного купоросу (CuSO4) в дистильованій воді проводились при вмісті солі у дистильованій воді в діапазоні 1-20 %. Експерименти проводились при віддалях між поверхнею електроліту і лезами 4, 7 та 10 мм. Товщина шару рідини над зануреним металевим електродом складала 4 мм. Свічення розряду в повітрі атмосферного тиску над поверхнею 10 % електроліту при міжелектродній віддалі 7 мм було синьо-фіолетового кольору і досить однорідно заповнювало майже весь розрядний проміжок (фіг. 2). Пікове значення напруги досягало 40-50 кВ, а струму 75 А. Величина імпульсної електричної потужності наносекундного розряду сягала 2 МВт, а енергія, що вносилась за один розрядний імпульс в плазмі складала ~78 мДж (фіг. 3). Імпульсна електрична потужність наносекундного розряду одержувалась шляхом графічного множення осцилограм напруги та струму, а енергія в імпульсі отримувалась при графічному інтегруванні імпульсної потужності за часом. Імпульси напруги і струму складалися з двох ділянок: додатної та від'ємної, а їх повна тривалість складала 50-100 не. На фіг. 4 представлено спектр випромінювання плазми наносекундного розряду над поверхнею 20 % розчину солі CuSO4, при міжелектродній віддалі 7 мм та товщині шару електроліту над зануреним металевим електродом - 4 мм, при частоті слідування імпульсів струму f=80 Гц. 2 UA 120072 U 5 Найбільш інтенсивними були спектральні смуги другої позитивної системи молекули азоту, випромінювання яких сконцентровано в спектральному діапазоні 300-400 нм. Спостерігались також малоінтенсивні смуги радикалів оксиду азоту в спектральному діапазоні 200-300 нм. З продуктів деструкції солі мідного купоросу в спектрі випромінювання плазми спостерігались окремі спектральні лінії атомів міді та сірки, що вказує на досить ефективне випаровування електроліту і внесення окремих фрагментів розчиненої солі в плазму розряду. Результати детальної ідентифікації спектральних ліній та смуг, які випромінювала плазма наносекундного розряду на поверхню електроліту, наведені в таблиці. Таблиця ~200-230 нм NO 297,68 нм N2 315,93 нм N2 337,13 нм N2 358,21 нм N2 375,54 нм N2 380,49 нм N2 399,5 нм NII 444,7 нм NII ~450-490 нм S І 502,57 нм NII 521,82 нм Сu І 570,02 нм Сu І 594,12 нм Сu І 10 15 20 25 30 35 40 Після роботи розрядної комірки упродовж 2-3 годин при частоті 100-150 Гц електроліт змінював колір із синього на зелений, що свідчило про повне перетворення катіонів міді і аніонів (SO4) у водному розчині в колоїдний розчин на основі наночастинок оксиду міді (фіг. 5). Зелений колір розчину відповідає максимуму випромінювання плазмонного резонансу наночастинок оксиду міді. Спосіб синтезу наноструктур оксиду міді в наносекундному розряді з електролітичним електродом в повітрі атмосферного тиску між металевим електродом та поверхнею розчину мідного купоросу в дистильованій воді може використовуватись в нанотехнологіях для синтезу колоїдних розчинів на основі наноструктур оксидів міді та одержання твердих дрібнодисперсних порошків оксиду міді в макроскопічній кількості. Джерела інформації: 1. Карпухин В.Т. Маликов М.М., Бородина Т.И., Вальяно Г.Е., Гололобова О.А. Исследование характеристик коллоидного раствора и его твердой фазы, полученной посредством лазерной абляции цинка в воде излучением мощного лазера на парах меди // Теплофизика высоких температур. - 2011. - Т. 49, вып. 5. - С. 701-706. - Аналог. 2. Бураков B.C., Савастенко Н.А., Тарасенко Н.В., Невар Е.А. Синтез наночастиц методом импульсного электрического разряда в жидкости // Журнал прикладной спектроскопии. -2008. Т. 75, № 1. - СП 1-120. - Прототип. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб синтезу наноструктур оксиду міді в наносекундному розряді з електролітичним електродом, що включає подання імпульсів високої напруги наносекундної тривалості на металевий та рідинний електроди, який відрізняється тим, що для синтезу наноструктур оксиду міді використовують біполярний сильнострумовий наносекундний розряд між системою металевих лез і поверхнею розчину мідного купоросу в дистильованій воді, що дозволяє одержувати з кожного леза однорідну листову плазму, яка інтенсивно випромінює в ультрафіолетовій ділянці спектра і є джерелом радикалів гідроксилу, під дією яких розчин мідного купоросу синього кольору трансформується в колоїдний розчин наночастинок оксиду міді зеленого кольору. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в системі живлення розряду використовують імпульсний водневий тиратрон замість газового розрядника, який дозволяє збільшити ресурс роботи і частоту повторення імпульсів струму в плазмохімічному реакторі, що сприяє зменшенню часу синтезу наноструктур оксиду міді. 3 UA 120072 U 4 UA 120072 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5