Запсис Константин Васильевич. Синтез и физико-химическое исследование наночастиц оксидов металлов (Cu2O, Fe2O3, ZnO) в полиэтиленовой матрице

Краткое описание

Запсис Константин Васильевич. Синтез и физико-химическое исследование наночастиц оксидов металлов (Cu2O, Fe2O3, ZnO) в полиэтиленовой матрице : Дис. ... канд. хим. наук : 02.00.04 : Саратов, 2004 109 c. РГБ ОД, 61:05-2/5

Саратовский государственный технический университет
На правах рукописи
Запсис Константин Васильевич
СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ (Cu20, Fe203, ZnO)
В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ МАТРИЦЕ
Специальность 02.00.04. - физическая химия
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Кособудский И.Д. Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Ушаков Н.М.
Саратов 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПОСТАВЛЕННОЙ ПРОБЛЕМЫ 10
1.1. Понятие о наночастицах 10
1.2. Размеры, форма и строение наночастиц 12
1.3. Свойства наночастиц 13
4 1.4. Взаимодействие наночастиц со средой 21
1.5. Реакционная способность наночастиц 22
1.6. Агломерация наночастиц 22
1.7. Методы получения металлсодержащих наночастиц 23
1.7.1. Физические методы получения 24
1.7.2. Получение наночастиц путем диспергирования 26
1.7.3. Химические методы получения 27
1.7.3.1. Реакции термического распада 28
1.7.3.2 Термическое разложение в жидкой фазе 29
1.8. Стабилизация наночастиц 29
1.8.1. Условия и механизм стабилизации наночастиц полимерами 30
t 1.8.2. Матричная изоляция 31
Выводы к главе 1 37
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ МАТРИЦЕ 39
2.1 Материалы 39
2.2 Методика синтеза наночастиц в полимерах 40
2.3 Методы исследования 43
Выводы к главе 2 44
Глава 3. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ МАТРИЦЕ 46 
3.1. Получение наночастиц оксидов металлов 46
в полиэтиленовой матрице 46
3.2. Наночастицы оксида меди (I) в полиэтиленовой матрице 48
3.3 Железосодержащие наночастицы в полиэтиленовой матрице 51
3.4. Наночастицы оксида цинка в полиэтиленовой матрице 58
3.5 Исследование термической устойчивости материалов на основе
наночастиц оксидов металлов в полиэтиленовой матрице 59
3.6 Теоретические аспекты возможного механизма образования и роста
й наночастиц в полимерных матрицах 67
Выводы к главе 3 75
Глава 4. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ МАТРИЦЕ 77
4.1. Удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость
наночастиц оксидов металлов в матрице полиэтилена 77
4.2. Ферромагнетизм железосодержащих наночастиц в матрице
полиэтилена 81
Выводы к главе 4 83
Глава 5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ 84
д 5.1. Оптические спектры отражения и поглощения 86
5.1.1. Наночастицы оксида железа (III) в полиэтилене 86
5.1.2. Наночастицы оксида меди (I) в полиэтилене 93
5.1.3. Наночастицы оксида цинка в полиэтилене 95
Выводы к главе 5 100
Общие выводы 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103

Список литературы

Общие выводы
1. В работе впервые получены композиционные материалов на основе изолированных друг от друга наночастиц полупроводниковых оксидов металлов (Cu20, ZnO, Ре2Оз), с размерами не более 30 нм внутри матрице полиэтилена высокого давления;
2. Определены размеры и распределения наночастиц по размерам. Показано, что в матрице полиэтилена образуются наночастицы со средним размерам от 1 до 25 нм, зависящим от концентрации и природы оксида металла. Для наночастиц Ре2Оз и ZnO средний размер не превышает 10 нм, наночастицы Си20 имеют размеры 10.. .25 нм.
3. Проведено исследование фазового состава полученных материалов. Доказано, что в матрице полиэтилена наночастицы имеют сложный состав, однако основной фазой в большинстве случаев является оксидная фаза, содержание которой зависит как от природы металла, так и его концентрации в матрице.
4. Впервые произведены расчеты энергий связей полимер - поверхность наночастицы. Показано, что с увеличением размера наночастиц значения энергий уменьшаются.
5. Впервые измерены основные электрофизические характеристики материалов на основе наночастиц полупроводниковых оксидов (Fe2C>3, Cu20) в матрице полиэтилена и исследованы их концентрационные зависимости. Показано, что поведение полученных концентрационных зависимостей удельной проводимости и диэлектрической проницаемости адекватно описывается теорией перколяции.
5. Проведены исследования характера магнетизма в зависимости от концентрации железосодержащих наночастиц в матрице полиэтилена.
6. Впервые проведены экспериментальные измерения спектров отражения и пропускания в ближней ИК - и видимой области спектра, материалов на основе
т полиэтилена с наноразмерными частицами полупроводниковых оксидов
металлов (Fe203, Cu20, ZnO). Из полученных экспериментальных спектров рассчитаны дисперсионные зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения. Обнаружены осцилляции коэффициента поглощения в ближней ИК - области, для образцов ПЭВД + Fe203 с концентрацией железа 5,1 и 10,3 масс. %, связанные с квантово-размерными эффектами.
7. Определены энергии ширины запрещенной зоны для образцов материалов на ц основе наноразмерных частиц Fe203, Cu20, ZnO в матрице полиэтилена.
Показано, что значения энергий зависят от концентрации частиц в полимере, и приближаются к значениям энергии ширины запрещенной зоны «массивного» полупроводника с увеличением концентрации наночастиц. Проведено определение типов оптических межзонных переходов. Показано, на существование прямых и непрямых межзонных переходов.
Автор считает своим долгом высказать благодарность к.ф-м.н. Джумалиеву А.С. за помощь в проведении рентгеновских исследований, к.ф- м.н. Высоцкому С.Л. за предоставленные результаты ФМР- исследований.
Особая благодарность д.ф-м.н. Кочубею В.И. за помощь в проведении оптических исследований и обсуждении полученных результатов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-03-32597-а).