Результат интеллектуальной деятельности: СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ГАЛЛИЯ В СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ВОДЕ

Изобретение относится к области получения нано- и микрочастиц оксидов металлов в сверхкритической воде и может найти применение в получении материалов и соединений высокой чистоты и с уникальными свойствами.

Для синтеза наноструктурных материалов, представителями которых являются наночастицы, нанопленки и нанопроволоки, предложено много методов, которые можно разделить на две принципиальные группы. Первая, получение наноструктур из материалов нормальных размеров, т.е. bulk materials. Вторая, получение наноструктур из систем молекулярного уровня.

Чистые оксиды различных металлов находят широкое применение в практике. Многие оксиды, в первую очередь Al₂O₃, W₂O₅, Cr₂O₃, Fe₂O₃ и др., используются в качестве катализаторов, другие для упрочнения металлов и для получения ферритов.

Основными методами синтеза или получения чистых оксидов металлов являются термическое разложение солей (сухой метод) при высоких температурах и осаждение гидроокисей из растворов (влажный метод) с последующим их прокаливанием.

К основным недостаткам известных методов синтеза оксидов металлов следует отнести:

1. Нитраты щелочных металлов, применяемые в качестве исходных веществ, при прокаливании переходят в нитриты и оксидов не образуют.

2. Прокаливанием некоторых солей очень трудно получить, например, оксиды стронция или бария, так как их карбонаты начинают разлагаться только при 1200-1300°С.

3. Прокаливанием солей трудно получить чистые оксиды металлов.

4. Соли, образованные нелетучими кислотами (фосфаты, бораты, вольфраматы и др.), при нагревании не разлагаются, за исключением солей аммония и ртути, и потому не могут служить исходными веществами для получения оксидов соответствующих металлов.

5. При прокаливании аммонийных солей выделяется аммиак-восстановитель, что может привести к загрязнению получаемого продукта низшими оксидами элементов.

6. Поскольку большинство гидроокисей (для метода получения окислов металлов из гидроокисей), осаждаемых из растворов, трудно получить в чистом, свободном от примесей состоянии, трудно получить индивидуальные окислы в чистом виде также.

7. Дегидратация гидроокисей при их прокаливании не всегда идет до конца, и часто полученные таким образом оксиды содержат небольшое количество гидроокиси.

8. Чистота и свойства оксидов металлов, полученных этими методами, сильно зависит от режима и температуры прокаливания.

Сверхкритические флюиды являются привлекательной средой для синтеза, модификации и формирования наночастиц неорганических материалов, в частности оксидов металлов (TiO₂, Cr₂O₃, LiFePO₄) [Reverchon E., Adami R. Nanomaterials and supercritical fluids // J. of Supercritical Fluids. 2006. V.37. P.1; Jung J., Perrut M. Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey // J. of Supercritical Fluids. 2001. V.20. P.179; Zhang Y., Erkey C. Preparation of supported metallic nanoparticles using supercritical fluids: A review // J. of Supercritical Fluids. 2006. V.38. P.252; Aymonier C., Loppiner-Serani A., Reveron H., Garrabos Y., Cansell F. Review of supercritical fluids in inorganic materials science // J. of Supercritical Fluids. 2006. V.38. P.242]. Такие наноструктуры и материалы демонстрируют необычные свойства, отличные от таковых для массивных материалов.

Известен метод синтеза частиц оксидов металлов [T.Adschiri, Y.Hakuta, K.Arai, Hydrothermal synthesis of metal oxide fine particles at supercritical conditions, Ind. Eng. Chem. Res. 39 (2000) 4901; T.Adschiri, Y.Hakuta, K.Sue, K.Arai, Hydrothermal synthesis of metal oxide nanoparticles at supercritical conditions, J. Nanopart. Res. 3 (2001) 227; A.Cabanas, J.Darr, E.Lester, M.Poliakoff, Continuous hydrothermal synthesis of inorganic materials in a near-critical water flow reactor; the one-step synthesis of nano-particulate Ce_1-xZr_xO₂ (x=0-1) solid solutions, J. Mater. Chem. 11 (2001) 561], при помощи которого осуществляют гидротермальный синтез нано- и микрочастиц оксидов металлов в сверхкритической воде - ск-Н₂О.

Несколько основных одно- и многостадийных химических реакций прекурсора и солей металлов могут реализовываться при синтезе частиц в ск-Н₂О: гидролиз и дегидратация, термолиз, восстановление (как правило, в присутствие водорода) и окисление. В области критических параметров воды увеличивается ее диссоциация и, следовательно, концентрация в ней Н⁺ и ОН^-. В результате этого, гидротермический синтез в ск-Н₂О наночастиц оксидов металлов из их солей осуществляются в результате двухстадийных реакций гидролиза и дегидратации:

Гидролиз: MeB_n+nOH^-→Me(OH)_n+nB^-

Дегидратация: Me(OH)_n→MeO_n/2+n/2H₂O

Гидротермальный метод прост в реализации и масштабировании, осуществляется в реакторах автоклавах или проточных трубчатых реакторах, позволяет контролировать свойства и размер частиц.

Известен способ гидротермального синтеза частиц оксидов металлов, принятый нами за прототип [S.Kawasaki, Y.Xiuyi, K.Sue, Y.Hakuta, A.Suzuki, K.Arai. Continuous supercritical hydrothermal synthesis of controlled size and highly crystalline anatase TiO₂ nanoparticles. J. Supercritical Fluids 50(2009) 276-282], при помощи которого проводят непрерывный синтез наночастиц двуокиси титана - TiO₂ в сверхкритической воде в присутствие КОН.

К главному недостатку прототипа следует отнести применение КОН для изменения растворимости материалов прекурсора. В результате применения КОН в процессе реакции образуется калия сульфат - K₂SO₄, удаление которого из продуктов реакции требует дополнительной промывки.

Изобретение решает задачу эффективного синтеза соединений оксидов металлов.

Предложен способ получения наночастиц оксида галлия Ga₂O₃, который осуществляют смешением 0.1М водного раствора соли Ga(NO₃)₃·8H₂O со сверхкритической водой в объемном соотношении 2:10 при температуре реакции 365-384°С и давлении 220-240 атм.

Отношение объема раствора соли галлия к объему сверхкритической воды равно, предпочтительно, 2:10.

Технический результат - синтез соединений оксидов металлов на основе наночастиц, создание экологически чистой безотходной технологии.

Исходный маточный раствор для синтеза Ga₂O₃ готовят растворением в воде эквимолярного количества соли Ga(NO₃)₃·8Н₂О. Гидротермальный синтез оксида проводят в непрерывном режиме в реакторе проточного типа, Фиг.1.

Маточный раствор из емкости 2 шприцевым насосом 4 подают в трубчатый реактор 5 объемом 7.2 см³, помещенный в печь с кипящим слоем песка 7, поток 1 через смеситель 6, в котором происходит его смешение со ск-Н₂О, поток 2, подаваемый поршневьм насосом 3 из емкости 1 в непрерывном режиме. Превращения проводят при температурах и давлениях близких к критическим параметрам смеси, содержащей более 95% воды, температура 365-384°С, давление 220-240 атм. Продукты взаимодействия солей с ск-Н₂О выходят из реактора в теплообменник 8, через клапан обратного давления 9 в накопительную емкость 10.

Продукты гидротермального синтеза, в зависимости от размера и свойств образующихся кристаллов, часто представляют собой неосаждающуюся смесь частиц в воде. Выделение образующихся частиц окислов металлов из раствора для анализа твердой фазы проводят центрифугированием раствора или выпариванием, с последующей сушкой твердой фазы.

Структура, фазовый и элементный состав образцов полученных соединений анализируют методами электронной сканирующей микроскопии (HRTEM), рентгенофазового анализа (XRD). В отдельных случаях, образовавшиеся водные продукты анализируют с использованием метода UV спектроскопии.

Гидротермальный синтез Ga₂O₃ проводят в непрерывном режиме в реакторе проточного типа по вышеописанной методике.

Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером и иллюстрациями.

Пример 1. Синтез оксида галлия Ga₂O₃

Для синтеза Ga₂O₃ готовят 0.1М раствор соли Ga(NO₃)₃·8Н₂О в воде. Температура реакции 365-384°С, давление 235 атм. Объемный расход воды - поток 2 составляет 10 мл/мин, расход реагента - поток 1-2 мл/мин. В результате гидротермальной реакции образовываются продукты в виде гомогенного раствора темного цвета, после выпаривания которого выделяется твердая фаза. По результатам HRTEM анализов синтезируемое соединение представляет собой кристаллы с высокой дисперсностью: 2-5 нм. Фиг.2а, б. В отдельном виде присутствуют блоки псевдоаморфных кристаллов (размеры псевдоаморфных кристаллов - до 100 нм).

Результаты XRD анализа демонстрируют, что основной фазой синтезированного соединения является соединение Ga₂O₃ в совокупности с незначительным количеством неустановленной кристаллической фазой.

Приведенный пример и иллюстрации демонстрируют, что предложенный метод и условия гидротермального синтеза позволяют синтезировать наночастицы оксида галлия требуемого размера и свойств.

Как видно из текста и примеров, изобретение решает задачу синтеза оксидов металлов на основе наночастиц, создание экологически чистой безотходной технологии.