Синтез наноматериалов с применением нанореакторов

3.2.4  Мезопористые алюмосиликаты

     Перспективными матрицами для получения нанокомпозитов являются мезопористые материалы на основе диоксида кремния с упорядоченным расположением пор, в структуре которых часть атомов кремния замещена атомами алюминия. Частичное замещение атомов Si на атомы А1 в структуре диоксида кремния создает отрицательный заряд на матрице, пропорциональный количеству введенного алюминия. В качестве положительно заряженных противоионов, расположенных внутри пор, могут выступать катионы переходных металлов, количество которых можно контролировать, изменяя содержание алюминия в матрице. Восстановление 
катионов переходных металлов позволяет получать нанокомпозиты с заданным содержанием металлической фазы в алюмосиликатной матрице.

     Дальнейшее применение алюмосиликатов для получения нитевидных наночастиц переходных металлов показало, что морфология наночастиц в образцах зависит от соотношения Si: Аl в алюмосиликатных матрицах. При использовании алюмосиликатных матриц с небольшим количеством алюминия (<10 мол.%) удалось получить нанокомпозиты, содержащие нитевидные частицы. В матрицах с большим содержанием алюминия формировались не только нанонити, но и сферические частицы размером 3-10 нм, при этом общее количество переходного металла в нанокомпозите уменьшалось. По мнению авторов, это объясняется формированием полигидроксокомплексов алюминия, которые блокируют поры и препятствуют внедрению ионов металлов.

3.3  Получение наночастиц в двумерных нанореакторах

     Нанореактор, 2D (англ. nano-reactor, 2D) — разновидность нанореактора, размеры которого по одному из измерений не превышают 100 нм, а по двум другим — существенно больше.

     Наиболее известными  классами веществ, используемых  в качестве 2D-нанореакторов, являются  слоистые двойные гидроксиды  и различные производные графита. В отличие от 1D- и 3D-нанореакторов, 2D-нанореакторы обычно используются  для получения плоских (условно-двумерных) наночастиц матричной фазы, в  том числе графена, путем интеркаляции  реагентов в межслоевое пространство  и последующей термической или  химической обработки материала, приводящей к увеличению объема  интеркалированного реагента, эксфолиации и расслаиванию матрицы [5].

     В качестве двумерных нанореакторов целесообразней всего 
использовать слоистые структуры с переменным размером структурных полостей. В таких соединениях слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что позволяет легко изменять размер межслоевого пространства. Кроме того, слоистая структура позволяет значительно 
ускорить диффузию газов в межслоевом пространстве и тем 
самым облегчить химическую модификацию слоистых соединений.

     Опубликовано несколько десятков работ, посвященных синтезу нанокомпозитов с использованием слоистых матриц. Наиболее широко применяются соединения с отрицательно заряженными слоями и 
катионами в межслоевом пространстве — алюмосиликаты. Однако такие соединения, как правило, нестехиометричны, сильно гидратированы и имеют сшивки между слоями, что существенно усложняет синтез наноматериалов с их использованием и негативно сказывается на воспроизводимости результатов. Естественно, все это препятствует систематическому изучению механизмов формирования наноструктур в слоистой матрице.

3.3.1 Слоистые двойные гидроксиды

     Наиболее распространенными двумерными нанореакторами являются слоистые двойные гидроксиды (СДГ) состава M2+1-xM3+x (OH)2[Xn-x/n · mН20] (X — анион). К настоящему времени получены соединения с М2+ = Mg2+, Zn2+ , Fe2+, Со2+, Ni2 + , Cu2+, Cd2 + , Sn2 + , Mn2+, Pd2+, Pt2+ и M3 + = Al3+, Fe3 + , Cr3+, Mn3 + , Ga3+, In3+, Bi3 + , Y3+, La3+, V3+, Rh3 + , Ir3+ , Ru3+ (см. работы). Как правило, радиусы катионов М2+ и М3+, участвующих в формировании слоистой структуры, не должны отличаться больше, чем в полтора раза. В качестве аниона X- может выступать практически любой анион или анионный комплекс. Структура СДГ представляет собой систему из положительно заряженных гидроксидных слоев [М2+1-xМ3+x(ОН)2]x+ и анионов, находящихся в межслоевом пространстве (рис. 11). Помимо анионов в межслоевом пространстве часто присутствуют лабильные молекулы воды. Структура СДГ в целом стабильна за счет электростатического взаимодействия между положительно заряженными гидроксидными слоями и межслоевыми анионами, несущими отрицательный заряд.

Рис. 11. Структура слоистых двойных гидроксидов.

Заключение

     В данной курсовой работе мной были рассмотрены способы синтеза наночастиц в нанореакторах (синтез наночастиц в аморфных матрицах и синтез наночастиц в упорядоченных матрицах). Были затронуты перспективность и актуальность данного метода, а также области применения нанореакторов (которые достаточно обширны), основное назначение нанореакторов, которое заключается в том, чтобы  способствовать формированию «переходного состояния» или активированного комплекса, преобразующегося в нанопродукт практически без затрат на энергию активации. Изучив множество статей и публикаций, я пришла к выводу, что нанореакторы могут использоваться, как для получения нанокомпозитов синтезируемого материала с материалом инертной матрицы, так и для получения изолированных нанообъектов.

     В процессе работы над данным курсовым проектом мной были усвоены преимущества синтеза наночастиц в нанореакторах, это создание активных и недорогих наноструктур, способных существенным образом изменять свойства материалов, при  низких энергетических затратах, необходимых для запуска реакций в нанореакторах полимерной матрицы, простоте используемого оборудования, и возможности организации замкнутого, экологически чистого производства. В свою очередь, потребности развития экологически чистых производств открывают широкие перспективы применения нанореакторов в химии и в металлургии.

     В заключение хотелось бы отметить, что использование нанореакторов 
открывает широкие возможности для дизайна функциональных наноматериалов с заданными физико-химическими характеристиками, которые могут найти применение в самых разных областях науки и технологии (например, в магнитных устройствах хранения информации, электронных устройствах, сенсорах, катализаторах, мембранных материалах и т.д.). Твердотельная матрица позволяет избежать агрегации наночастиц и защитить их от внешних воздействий, что существенно облегчает практическое применение таких материалов.

Список использованных источников

1. Лукашин А. В. Создание функциональных нанокомпозитов на основе оксидных матриц с упорядоченной пористой структурой.// Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук. 2009.
2. Лукашин А.В., Калинин С.В., Никифоров М.П., Привалов В.И., Елисеев А.А., Вертегел А.А., Третьяков Ю.Д. Влияние условий синтеза на структуру слоистых двойных гидроксидов // ДАН. 1999. Т.364. №1. С.77-79.
3. Бакеева И.В. Наноструктуры: основные понятия, классификация, способы получения // Учебное пособие. второе издание. 2008. 68C.
4. Напольский К.С., Колесник И.В., Елисеев А.А., Лукашин А.В., Вертегел А.А., Третьяков Ю.Д. Синтез нитевидных наночастиц железа в матрице мезопористого диоксида кремния // ДАН. 2002. Т.386. №2. С.207-210.
5. Третьяков Ю.Д., Лукашин А.В., Елисеев А.А. Синтез функциональных нанокомпозитов на основе твердофазных нанореакторов // Успехи химии. 2004. Т.73. №9. С.974-998.
6. Колесник И.В., Елисеев А.А., Гаршев А.В., Лукашин А.В., Третьяков Ю.Д. Синтез наночастиц серебра в матрицах мезопористых алюмосиликатов с высоким содержанием алюминия // Изв. РАН Сер. хим. 2004. Т.53. №11. C.2391-2393.
7. Харламова М.В., Саполетова Н.А., Елисеев А.А., Лукашин А.В. Магнитные свойства наночастиц γ-оксида железа в матрице мезопористого оксида кремния // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т.85. №9. С.538–543.