Синтез и использование наночастиц никеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез и использование наночастиц никеля

Иващенко Гюнель Эюбкызы

магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия

Аннотация: Рассмотрен химический способ синтеза наночастиц никеля из малорастворимого карбоната с использованием в качестве восстановителя гидразингидрата. Установлено, что концентрация восстановителя и температура синтеза оказывают влияние на размер получаемых частиц. Обсуждаются возможности использования наночастиц никеля в нелинейных оптических системах. Определены условия синтеза наночастиц никеля оптимальных размеров для использования в капсюлях оптических детонаторов на основе первой и второй гармоник неодимового лазера.

Ключевые слова: наночастицы, никель, гидразингидрат, синтез, оптический детонатор

Наночастицы никеля широко используются в медицине и биологии [1], входят в состав магнитных жидкостей, катализаторов и солнечных батарей [2], широко используются в переключающих устройствах нелинейной оптики [2], для создания высокоскоростных оптических устройств [3]. Практическая целесообразность создания композитов на основе наночастиц никеля и штатного вторичного ВВпентаэритриттетранитрата (общепринятое в мире название PETN) для материала капсюлей оптических детонаторов доказана экспериментально [4-5]. Для широкого практического использования наночастиц никеля необходимо разработать способы синтеза наночастиц сферической формы заданного радиуса (R) с узким разбросом по R. Для получения наночастиц переходных металлов (никеля, кобальта, железа) используют как физические, так и химические методы [6-7]. Физические методы синтеза наночастиц требуют наличия специального дорогостоящего оборудования, сложной методики, однако в результате получается порошок с трудно контролированным химическим составом. В связи с этим широкое распространение получили химические методы синтеза. Они отличаются технологической простотой и экономичностью, возможностью регулировать процесс синтеза на каждой стадии, большим выходом конечного продукта [6-9]. При этом возможно получение конечного продукта с заданными характеристиками форм - размерными характеристиками, не загрязненными посторонними примесями [6-9].

Целью настоящей работы является определение условий синтеза наночастиц никеля оптимальных размеров для использования в капсюлях оптических детонаторов на основе первой и второй гармоник неодимового лазера.

Оценим необходимые для капсюля оптического детонатора радиусы наночастиц никеля. В состав капсюля входит энергетический материал, который под действием внешнего излучения претерпевает необратимое разложение с выделением энергии. При этом возможны самоускоряющиеся режимы процесса [4-5]. Основным направлением разработки материалов капсюлей оптических детонаторов является создание композитных составов на основе взрывчатых веществ и светочувствительных наночастиц металлов [10-11]. В работах [4,5, 11-14] исследованы значения порогов инициирования композитов пентаэритриттетранитрата (PETN) с наночастицами алюминия и кобальта. Показано, что полученные материалы проявляют чувствительность к лазерному воздействию на уровне 1 Дж/см2. Благодаря этому экспериментально доказана возможность создания капсульных составов для оптических систем инициирования на основе вторичных взрывчатых веществ, содержащих наночастицы металлов, доказана роль наночастиц металлов как центров поглощения световой энергии и разогрева окружающей матрицы в объеме PETN. Модель для расчета критических параметров взрывного разложения композитов PETN - Ni сформулирована в работах [13, 15] для инициирования импульсом длительностью на полувысоте 20 нс. В настоящей работе мы будем использовать длительность импульса 12 нс, так как современные экспериментальные лазерные комплексы имеют именно такую длительность [4,5, 12-14]. Временная форма импульса хорошо описывается функцией Гаусса, которую мы возьмем для интерполяции формы лазерного импульса [5, 16]. Система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая процессы теплопереноса в наночастице и PETN с реакцией экзотермического разложения первого порядка для сферической симметрии сформулирована ранее [13, 15]. Поглощение и как следствие - нагревание системы будем моделировать по методике, изложенной в работе [17]. Учитываем в модели зависимость коэффициента эффективности поглощения лазерного импульса (отношение сечений поглощения к геометрическому) от радиуса наночастиц и длины волны лазерного импульса. Расчет проводим при значениях комплексного показателя преломления никеля mi=2.65-5.93i на первой гармонике неодимового лазера и mi= 1.87-3.49i - на второй [18]. В рамках теории Ми влияние длины волны на зависимость коэффициента эффективности поглощения лазерного импульса от радиуса наночастицы связано с изменением как комплексного показателя преломления, так и длины волны излучения [19]. Если бы величина mi не зависела от длины волны, то зависимость коэффициента эффективности поглощения от безразмерного параметра отношения радиуса к длине волны была бы одинаковой. Т.е максимум поглощения сместился бы в сторону меньших радиусов без изменения амплитуды. Однако действительная и мнимая части mi меняются значительно на разных длинах волн. Для никеля при переходе от второй к первой гармонике неодимового лазера мнимая часть mi увеличивается в 1.7 раза, а действительная - в 1.42. В результате, при переходе от первой ко второй гармонике неодимового лазера наблюдается сдвиг максимума коэффициента эффективности поглощения в сторону малых радиусов наночастиц, при существенном увеличении амплитуды поглощения. Радиусы, на которых наблюдаются максимальные значения коэффициента эффективности поглощения изменяются более чем в 2 раза с 96.4 нм на первой гармонике до 42.2 нм - на второй. При этом Значения максимального коэффициента эффективности поглощения на исследуемых длинах волн составили 1.07348 на первой и 2.0344 на второй гармонике, соответственно. Такое поведение оптических свойств наночастиц является традиционным для большой группы металлов [19-22].

На рисунке 1 представлены рассчитанные зависимости критической плотности энергии от радиуса наночастиц никеля для первой и второй гармоник неодимового лазера длительностью на полувысоте 12 нс. С помощью методики, представленной в работах [10-18] положение минимумов критической плотности энергии (Hc) от радиуса наночастиц определено с точностью до 0.1 нм. Такая точность необходима для точного определения оптимальных радиусов наночастиц.

Рисунок 1. - Рассчитанные зависимости критической плотности энергии от радиуса наночастиц никеля в PETN на первой (штрих) и второй (штрих-пунктир) гармониках неодимового лазера

наночастица никель карбонат

Наименьшее значение Hc для второй гармонике неодимового лазера соответствует 31.65 мДж/см2 для наночастицы никеля радиуса 43.0 нм. Соответствующие расчетные значения для первой гармоники составили 69.01 мДж/см2 и 91.3 нм. Различия Hc для первой и второй гармоник неодимового лазера более чем в 2 раза определяются в первую очередь различиями в значениях коэффициентов поглощения на этих длинах волн. Для всех радиусов наночастиц критические плотности энергии на второй гармонике существенно меньше, чем на первой. Оптимальные радиусы частиц для второй гармонике составляют примерно 40 нм, определим методику синтеза таких наночастиц никеля.

Наиболее распространенным методом синтеза наночастиц переходных металлов, является химическое восстановление соответствующих солей сильным восстановителем таким, как гидразингидрат [23-25]. Нанопорошки никеля получали восстановлением малорастворимого карбоната никеля водным раствором гидразингидрата. Процесс восстановления проводили при варьировании температуры и концентрации восстановителя от 0,2-2,5 моль/л. Полученные таким способом нанопорошки подвергались комплексному физико-химическому исследованию. Фазовый состав и дисперсную структуру исследовали методами малоугловой и широкоугловой рентгенографии [23]. Информацию о рельефе поверхности, размере и форме частиц получали при помощи растровой электронной микроскопии.

Рентгенофазовый анализ показал, что образцы представляют собой рентгенографический никель без оксидных и гидроксидных фаз. На рисунке 2 показана рентгенограмма порошка никеля. Хорошо виден основной рефлекс Ni (111) и Ni (200). Максимумов, соответствующих соединениям никеля, не обнарущено. Согласно результатам рентгенофлуоресцентного анализа содержание никеля в образцах составляет не менее 95 масс.%.

Исследовано влияние условий получения, (концентрация восстановителя и температурный режим), на процесс восстановления и форм - размерные характеристики наночастиц никеля. В зависимости от концентрации гидразина (восстановителя) в порошках никеля наблюдается увеличение размера нанокристаллитов и уменьшение среднего размера агломератов. Повышение температуры приводит к значительному росту скорости восстановления, при этом размер агломератов уменьшается. Для синтеза наночастиц радиусами порядка 50 нм оптимальный температурный интервал составляет 80-95єС.

Рисунок 2. - Рентгенограмма синтезированного порошка никеля

Результаты, полученные методом малоуглового рассеяния рентреновских лучей (МУР) показали, что функции распределения частиц никеля по размерам независимо от условий синтеза (концентрации восстановителя, температуры) имеют бимодальное распределение (рисунок 3). Первый пик функции распределения лежит в области до 40 нм. Положение максимума в зависимости от условий получения варьируется в диапазоне от 5 до 20 нм. Второй максимум, гораздо более широкий и пологий, находится в интервале 100-700 нм. Независимо от формы агломератов и условий синтеза порошков, характер и положение первого пика идентичны для всех образцов. Это может говорить о наличие тонкой структуры - нанокристаллитов, из которых складываются разные виды агломератов. Второй максимум, имеет агрегационную природу и характеризует размеры агломератов [24].

Рисунок 3. - Массовая функция распределения частиц по размерам для никеля

Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM6390 SEM было установлено, что порошки никеля представляют собой сложные агломераты сферической формы, состоящие из наноразмерных составных частей [25].

Сопоставляя результаты, полученные различными методами, можно сделать заключение о том, что морфология частиц никеля, полученных восстановлением малорастворимых карбонатов, описывается в рамках многоуровневой пространственной организации порошков: нанокристаллиты размером до 40 нм, которые слагаются в агломераты I уровня. Эти агрегаты, в свою очередь, могут ассоциироваться в более крупные частицы II уровня микронных размеров, которые способны к взаимодействию между собой с образованием рыхлых агломератов III уровня. Создание агрегатов наночастиц вносит существенную особенность в методику подготовки прессованных таблеток PETN - Ni. Агрегаты связаны достаточно слабым Ван дер Ваальсовым взаимодействием, поэтому они достаточно легко могут быть раздроблены в ультразвуковой ванне. Поэтому перед подготовкой таблетки наночастицы никеля необходимо поместить на несколько десятков минут в ультразвуковую ванну, а потом еще смесь никеля и PETN на 30 минут для равномерного распределения наночастиц по объему таблетки [4, 5, 12-14]. Автор выражает благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.

Список литературы

1. Пугачев В.М., Попова А.Н., Зюзюкина Е.Н., Захаров Ю.А. Исследование продуктов синтеза наноразмерных систем Fe-Co // Вестник КемГУ. - 2012. - № 4-2 (52). - С. 174-180.

2. Sarkhosh L., Aleali H., Karimzadeh R. et al. Large thermally induced nonlinear refraction of gold nanoparticles stabilized by cyclohexanone // Physica Status Solidi A. - 2010. - V. 207. - № 10. - P. 2303-2310.

3. Эдельман И.С., Петров Д.А., Иванцов Р.Д. и др. Микроструктура и магнитооптика оксида кремния с имплантированными наноразмерными частицами никеля // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2011. - Т. 140. - № 6 (12). - C. 1191-1202.

4. Каленский А.В., Звеков А. А. и др. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. - 2014. - № 3-3 (59). - С. 211-217.

5. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А., Зыков И.Ю. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. - 2015. - Т. 85. - № 3. - С. 119-123.

6. Датий К.А., Попова А.Н., Зюзюкина Е.Н. Влияние температуры на фазовый состав наноструктурированной системы Fe-Co-Ni // Вестник КемГУ. - 2014. - № 4-3 (60). - С. 130-134.

7. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Кривенцов В.В. и др. Структура наноразмерных биметаллов Fe-Co и Fe-Ni // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2013. - Т. 77. - № 2. - С. 164-167.

8. Попова А.Н. Наноразмерные порошки систем железо-кобальт и железо-никель// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2008. - Т. 5. - № 2. - С. 109-114.

9. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Попова А.Н. и др. Структурные и магнитные свойства наноразмерной системы Fe-Co // Вестник КемГУ. - 2013. - № 3-3 (55). - С. 80-82.

10. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythrioltetranitrate - aluminiumnanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2014. - Т. 5.- № 6. - С. 803-810.

11. Pugachev V. M., Datiy K. A. et al Synthesis of copper nanoparticles for use in an optical initiation system // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2015. - Т. 6.- № 3. - С. 361-365.

12. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Фурега Р.И. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // ХФ. - 2013. - Т. 32. - № 8. - С. 39-42.

13. Каленский А. В., Зыков И. Ю. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген - никель // Известия ВУЗов. Физика.- 2014. - Т. 57. - № 12-3. - С. 147-151.

14. Каленский А.В., Звеков А.А., Ананьева М.В. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов// ФГВ. - 2014. - Т. 50. - № 3. - С. 98-104.

15. Иващенко Г.Э., Одинцова О.В. Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель // NovaInfo.Ru. - 2015. - Т. 2. - № 33. - С. 13-19.

16. Одинцова О.В., Иващенко Г.Э. Временная форма импульса первой гармоники неодимового лазера // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2015. - № 2 (17). - С. 43-48.

17. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Пакет прикладных программ для расчета кинетики взрывного разложения энергетического материала, содержащего наночастицы металла, при облучении лазерным импульсом//Аспирант. - 2015. - № 7. - С. 73-78.

18. Ананьева М.В., Каленский А.В., Гришаева Е.А. и др Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. - 2014. - №1-1 (57). - С. 194-200.

19. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Белокуров Г.М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. - 2014. - Т. 84. - №9. - С. 126-131.

20. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. - 2015. - Т. 118. - № 6. - С. 1012-1021.

21. Каленский А.В., Звеков А.А. Лапсина П.В. и др. Влияние условий получения на форморазмерные характеристики наноструктурированных порошков никеля и кобальта // Письма о материалах. 2015. Т.5. №4. С. 394-398.

22. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Оптические свойства наночастиц меди // Известия ВУЗов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 8. - С. 59-64.

23. Popova A.N. Synthesis and characterization of iron-cobalt nanoparticles // Journal of Physics: Conference Series. - 2012. - Т. 345.- № 1.- С. 012030.

24. Захаров Ю.А., Попова А.Н., Пугачев В.М. Фазовый состав наноразмерных порошков системы железо-кобальт // Ползуновский вестник. - 2009. - № 3. - С. 60-62.

25. Лапсина П.В., Кагакин Е.И., Попова А.Н. и др. Влияние условий получения на форморазмерные характеристики наноструктурированных порошков никеля и кобальта // Письма о материалах. - 2015. - Т.5. - №4. - С. 394-398. 

Размещено на Allbest.ru