ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

НАНОЧАСТИЦ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лебедева Марина Владимировна

канд. хим. наук, ассистент кафедры физической химии

Московского технологического университета,

РФ, г. Москва

E-mail: lebedevamv@mitht.ru

Яштулов Николай Андреевич

д-р хим. наук, проф. кафедры физической химии,

РФ, г. Москва

THE CHOICE OF OPTIMAL CONDITIONS OF PLATINUM METAL

NANOPARTICLES CHEMICAL REDUCTION FOR FUNCTIONAL

NANOCOMPOSITE MATERIALS CREATION

Marina Lebedeva

candidate of Science,

assistant of physical chemistry department Moscow technological University,

Russia, Moscow

Nicolay Yashtulov

doctor of Sciences, Professor of physical chemistry department,

Russia, Moscow

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-38-00862-мол_а).

АННОТАЦИЯ

Методами электронной микроскопии проведено исследование условий химического восстановления биметаллических наночастиц платиновых металлов для дальнейшего формирования металлополимерных нанокомпозитов.

ABSTRACT

By means of electron microscopy the study of the chemical reduction of bimetallic nanoparticles of platinum metals for further formation of metal-polymer nanocomposites was carried out.

Ключевые слова: химическое восстановление, вторичный ПАВ, обратные мицеллы, биметаллические наночастицы, металлополимерные нанокомпозиты, электронная микроскопия.

Keywords: chemical reduction, co-surfactant, reverse micelles, bimetallic nanoparticles, metal-polymer nanocomposites, electron microscopy.

К настоящему времени формирование частиц металлов нанометрового и микронного размеров является одним из интенсивно развивающихся направлений создания функциональных и конструкционных материалов для химических источников тока, медицинской аппаратуры, нано- и микроэлектроники [1–6]. Параметры и свойства наночастиц (НЧ) металлов в значительной мере определяется методом их получения. Синтез наноструктур, размер которых находится в пределах от 1 до 100 нм, представляется крайне актуальным в широком спектре практического использования.

Одним из современных перспективных способов получения моно- и биметаллических наночастиц катализаторов является метод синтеза в водно-органических растворах обратных мицелл, который позволяет получать наночастицы с контролируемыми параметрами и узким распределением по размерам [1–5]. Для формирования обратной мицеллы ключевую роль играет выбор поверхностно-активного вещества (ПАВ). ПАВ, как правило, содержат гидрофильную основу и гидрофобную цепь. Подобные амфифильные молекулы могут быть объединены в разнообразные самоорганизованные структуры в растворе, такие как прямые и обратные мицеллы, микроэмульсии и т. д. [3; 4].

Среди наиболее распространенных типов ПАВ стоит выделить анионный двухцепочечный алкилсульфонатный ПАВ – бис (2-этилгексил) сульфосукцинат натрия (промышленное название аэрозоль
ОТ или АОТ). Благодаря своей объемной гидрофобной группе этот ПАВ особенно удобно использовать для получения микроэмульсий «вода в масле» [2–5].

В связи с тем, что в литературных источниках отсутствуют данные по созданию биметаллических наночастиц Pt-Pd и Pt-Ru с анионным ПАВ – АОТ, цель работы состояла в выборе оптимальных условий синтеза наночастиц для дальнейшего формирования нанокомпозитных материалов.

Синтез биметаллических наночастиц Pt-Pd и Pt-Ru был проведен при смешении двух растворов обратных мицелл – с водными растворами солей и тетрагидроборатом натрия NaBH₄ в качестве восстановителя [1]. Мольное соотношение металлов составило 1:1. Известно [2], что добавление вторичного ПАВ в процессе создания обратных мицелл может уменьшить концентрацию ПАВ, уменьшив, таким образом, размер частиц. В работе было проведено исследование по влиянию вторичного ПАВ (пропанола-2) на размеры биметаллических наночастиц. Первый синтез состоял в растворении 0.15 М раствора ПАВ – бис (2-этилгексил) сульфосукцината натрия (AOT) в изооктане и пропаноле-2 (соотношение 10:1). Пропанол-2 был выбран в качестве вторичного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Затем в раствор вводили 0.02 М раствор платиновых солей, в соответствии со значением коэффициента солюбилизации ω = [H₂O]/[AOT], который в экспериментах был выбран равным 1.5 и 3. В другом варианте синтеза вторичный ПАВ не использовался.

Для оценки размеров, формы и распределения наночастиц в водно-органических растворах обратных мицелл, полученных при добавлении и в отсутствии вторичного ПАВ (пропанола-2) был использован метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). Растворы с наночастицами анализировались на стандартной подложке из слюды. В результате было обнаружено, что при формировании биметаллических наночастиц Pt-Ru в водно-органических растворах при ω = 1.5 и соотношении металлов 1:1 образуются, в основном, наночастицы сферической формы. Для наночастиц Pt-Pd характерно образование эллипсовидных наночастиц. Из данных Таблицы 1 можно сделать вывод, что для водно-органических растворов Pt-Ru и Pt-Pd, полученных без использования вторичного ПАВ средний размер частиц значительно меньше, чем у систем, сформированных с участием вторичного ПАВ. Можно сделать заключение, что наличие вторичного ПАВ способствует проницаемости мицелл и увеличению агрегации наночастиц. Таким образом, наименьший размер наночастиц характерен для водно-органических систем, сформированных при минимальном коэффициенте солюбилизации (ω = 1.5) и без использования вторичного ПАВ.

Таблица 1.

Размеры наночастиц Pt-Pd и Pt-Ru по данным АСМ

Для создания нанокомпозитов в работе была использована коммерческая перфторированная мембрана «Нафион» [1; 6], которую погружали в кюветы с обратно-мицеллярным раствором наночастиц под действием ультразвуковой обработки. Исследования морфологии металлополимерных нанокомпозитов с биметаллическими наночастицами Pt-Pd и Pt-Ru проводились при помощи метода растровой электронной микроскопии (РЭМ).

По данным РЭМ, основной вклад в формирование нанокомпозитов Pt-Ru при соотношении металлов 1:1 вносят наночастицы сферической формы с размерами от 5 до 8 нм. Нанокомпозиты Pt-Pd характеризуются образованием эллипсовидных наночастиц с размерами от 6 до 8 нм в зависимости от коэффициента солюбилизации.

Таким образом, в результате работы были подобраны оптимальные условия синтеза наночастиц с использованием анионного ПАВ (АОТ) и сформированы металлополимерные нанокомпозиты с биметаллическими наночастицами платиновых металлов. Сформированные новым методом материалы в дальнейшем могут быть использованы в качестве эффективных электродов для источников энергии.

Список литературы:

1. Яштулов Н.А. Синтез и электрохимические характеристики полимерных биметаллических нанокатализаторов Pt-Pd / Н.А. Яштулов, М.В. Лебедева, В.Р. Флид // Известия РАН. Серия химическая. – 2015. Т. 64. № 8. – С. 1837–1841.
2. Charinpanitkul T., Chanagul A., Dutta J., Rungsardthong U., Tanthapanichakoon W. Effects of cosurfactant on ZnS nanoparticle synthesis in microemulsion // Science and Technology of Advanced Materials. 2005. Vol. 6. P. 266–271.
3. Eriksson S., Nylen U., Rojas S., Boutonnet M. Preparation of catalysts from microemulsions and their applications in heterogeneous catalysis // Appl. Catal. A. 2004. Vol. 265. № 2. Р. 207–219.
4. Malik M.A. Microemulsion method: a novel route to synthesize organic and inorganic nanomaterials / M.A. Malik, M.Y. Wani, M.A. Hashim // Arabian Journal of Chemistry. – 2012. – Vol. 5. № 4. – P. 397–417.
5. Ruitao L.V. Synthesis and characterization of ZnS nanowiresby AOT micelle-template inducing reaction / L.V. Ruitao, C. Chuanboa, H. Zhu // Materials Research Bulletin. – 2004. – Vol. 39. № 10. – Р. 1517–1524.
6. Sun X., Xu H., Zhu Q., Lu L., Zhao H. Synthesis of Nafion®-stabilized Pt nanoparticles to improve the durability of proton exchange membrane fuel cell // Journal of Energy Chemistry. 2015. Vol. 24. № 3. P. 359–365.