Способ получения наночастиц никеля, покрытых слоем углерода

Способ получения наночастиц никеля, покрытых слоем углерода

Реферат

Изобретение относится к получению наночастиц никеля, которые применяются в качестве катализаторов, хранителей информации, сенсоров, входят в состав магнитных жидкостей.

Наночастицы никеля получают диспергированием металла или восстановлением ионов никеля в растворах с добавлением веществ, образующих нанореакторы (мицеллы, растворы высокомолекулярных веществ). В роли восстановителей выступают гидразин, борогидрид (Миргород Ю.А., Ефимова Н.А. Синтез суперпарамагнитных наногибридов Pt/Ni в прямых мицеллах катионных ПАВ. Журн. физ. химии. 2008. Т. 81. №3. С. 465). Восстановление может происходить и при термическом разложении сухих композиций, содержащих соли никеля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является изобретение «Однородные наночастицы никеля, покрытые оболочкой, и способы их получения» (Патент на изобретение №246609, МПК⁶ C01G 53/00, B82B 3/00, B82Y 99/00). По известному способу наночастицы никеля, покрытые углеродным слоем, получают термическим разложением в инертной атмосфере нормального или кислого малеата никеля. Термическое разложение ведут при нагревании до температуры 450°C, охлаждение продукта ведут в инертной атмосфере.

Для того чтобы получить малеат никеля, необходимо вначале получить малеиновую кислоту окислением нафталина с катализатором, затем выделить малеиновую кислоту из реакционной среды, провести реакцию нейтрализации, выделить малеат никеля из реакционной среды. Таким образом, исходный прекурсор для термического разложения получают длительными технологическими операциями, в результате чего загрязняется окружающая среда, затрачиваются значительные материальные и трудовые ресурсы. В последнее время развивается «зеленый синтез», в котором используются листья или экстракты растений (Миргород Ю.А., Бородина В.Г. Получение и бактерицидные свойства наночастиц серебра в водном экстракте чайных листьев. Неорг. матер. 2013. Т. 49. №10. С. 1-4).

Технической задачей изобретения является упрощение способа получения наночастиц никеля с помощью «зеленого синтеза».

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе получения наночастиц никеля, покрытых слоем углерода, согласно изобретению термическому разложению в вакууме 10^-1 мбар подвергают пропитанные водным раствором NiCl₂·6H₂O сухие лепестки китайской розы, разложение ведут при температуре 600-700°C в течение 30-40 мин со скоростью 20°C/мин.

Лепестки китайской розы больше известны как Каркадэ, которые используют для заварки чая. Они содержат флавоноиды, органические кислоты, целлюлозу. По соотношению массы сухих листьев и количества поглощенной соли никеля можно подобрать композит для разложения. Чем меньше будет концентрация поглощенной соли, тем мельче будут наночастицы никеля и наоборот. По этой же причине лепестки пропитывают раствором в течение 10-20 час. После пропитки лепестки отделяют от раствора и сушат 2-4 час в сушильном шкафу в графитовом тигле при 60-80°C. Во время сушки удаляется влага и, по-видимому, образуются соединения ионов никеля с веществами Каркадэ. Образующиеся связи удерживают Ni(II) в порах лепестков. Далее сушеные лепестки с Ni(II) в графитовом тигле постепенно, со скоростью 20°C/мин нагревают в вакууме 10^-1 мбар до 600-700°C в течение 30-40 мин. Термическое разложение композиции соль/темплата - основной технологический процесс. Можно предполагать, основываясь на экспериментах, полученных в работе J. Phys. Chem. С. 2009. V. 113. Р. 20097-20107, что при пиролизе целлюлозы выделяются восстановители СО, C₂H₂ и даже Н₂. Они восстанавливают Ni(II) до Ni. По-видимому, данный способ можно использовать и с применением лепестков цветов и листьев различных растений. После охлаждения порошка просвечивающий электронный микроскоп показывает образование наночастиц размером 10-50 нм. После 10 суток рентгенограмма порошка не меняется, что указывает на отсутствие окисления поверхности наночастиц и защиту их углеродом. Элементный анализ подтверждает, что в порошке присутствует Ni, а остальное мезоморфный/аморфный углерод.

Предложенный способ иллюстрируется примером. 10 г сухих лепестков китайской розы заливали 20 мл 0,1 М раствора NiCl₂·6H₂O и давали пропитаться в течение 15 час. После этого лепестки отделяли от раствора и сушили в сушильном шкафу при 70°C в течение 3 час в графитовом тигле. Далее графитовый тигель с лепестками и NiCl₂ помещали в печь ASTRO и нагревали до 600°C со скоростью 20°C/мин в вакууме 10^-1 мбар в течение 35 мин. Полученный порошок охлаждали на воздухе до комнатной температуры. Размеры и форму наночастиц порошка определяли с помощью просвечивающей электронной микроскопии с использованием микроскопа фирмы JEOL JEM-1011 при ускоряющем напряжении 100 кВ. Их размеры были в пределах 9-52 нм. Элементный анализ определяли энергодисперсионной приставкой сканирующего электронного микроскопа JEOL 660 LV. Порошок содержал 47% Ni, а остальное - углерод. Поэтому можно считать, что диаметр наночастиц Ni, примерно, равен 5-25 нм. Фазовый анализ выполняли рентгеновским порошковым дифрактометром GBC EMMA. На дифрактограмме зафиксированы пики С(111) 2θ=26°, Ni(111) 44, Ni(200) 52, Ni(220) 77, т.е. пики аморфного углерода и металлического никеля. После 10 суток рентгенограмма не изменилась. Аморфный углерод, покрывающий наночастицы никеля, надежно защищал никель от окисления кислородом воздуха.

Из примера и описания изобретения видно, что техническая задача изобретения решена применением в предлагаемом способе получения наночастиц никеля, покрытых слоем углерода, «зеленого синтеза». Вещество, используемое в синтезе, создается природой. Не загрязняется окружающая среда, экономятся материальные и трудовые ресурсы.

1. Способ получения наночастиц никеля, покрытых слоем углерода, отличающийся тем, что термическому разложению в вакууме 10^-1 мбар подвергают пропитанные водным раствором NiCl₂·6H₂O сухие лепестки китайской розы, разложение ведут при нагревании до температуры 600-700°C в течение 30-40 мин со скоростью 20°C/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сухие лепестки китайской розы пропитывают 0,1 М водным раствором NiCl₂·6H₂O в течение 10-20 ч.