ISSN 2225-7551

УДК 541.18:546.59:547.796

 

М.І. Воробйова, канд. техн. наук

О.А. Півоваров, д-р техн. наук

ДВНЗ УДХТУ, м. Дніпропетровськ, Україна

Формування колоїдних наночасток срібла з водних розчинів AgNO3 під дією контактної нерівноважної плазми

М.И. Воробьева, канд. техн. наук

А.А. Пивоваров, д-р техн. наук

ГВУЗ УДХТУ, г. Днепропетровск, Украина

ФОРМИРОВАНИЕ КОЛЛОИДНЫХ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ AgNO3 ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОНТАКТНОЙ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ

Marharyta Vorobyova, РhD in Technical Sciences

Oleksandr Pivovarov, Doctor of Technical Sciences

Ukrainian State University of Chemical-Technology, Dnipropetrovsk, Ukraine

FORMATION OF THE COLLOID SILVER NANOPARTICLES FROM AQUEOUS SOLUTIONS AGNO3 UNDER THE INFLUENCE OF THE CONTACT NONEQUILIBRIUM PLASMA

Показано ефективність використання контактної нерівноважної низькотемпературної плазми для одержання наночасток срібла з водних розчинів AgNO3 без додаткового введення відновників та високомолекулярних стабілізаторів. Встановлено вплив початкової концентрації прекурсору та електричних параметрів плазмохімічної обробки на процес синтезу золів. Досліджено вплив тривалості плазмохімічної обробки на формування часток срібла. Проведено аналіз геометричних параметрів одержаних часток. Продемонстровано здатність одержаних часток до стабільності утримання форми та розмірів впродовж тривалого часу без використання стабілізатора.

Ключові слова: одержання, золь, срібло, розчини, нітрат срібла, наночастки, контактна нерівноважна низькотемпературна плазма.

Показана эффективность использования контактной неравновесной низкотемпературной плазмы для получения наночастиц серебра из водных растворов AgNO3 без дополнительного введения восстановителей и высокомолекулярных стабилизаторов. Установлено влияние начальной концентрации прекурсора и электрических параметров плазмохимической обработки на процесс синтеза золей. Исследовано влияние продолжительности плазмохимической обработки на формирование частиц серебра. Проведен анализ геометрических параметров полученных частиц. Продемонстрирована способность полученных частиц к стабильности удержания формы и размеров на протяжении длительного времени без использования стабилизатора.

Ключевые слова: получения, золь, серебро, растворы, нитрат серебра, наночастицы, контактная неравновесная низкотемпературная плазма.

This paper shows the efficiency of the contact nonequilibrium low-temperature plasma to produce silver nanoparticles from AgNO3 aqueous solutions without additional input and reducing macromolecular stabilizers. The influence of the initial concentration of precursor and electrical parameters of plasma-chemical treatment process for the synthesis of sols. The effect of duration of plasma chemical treatment on the formation of silver particles. The analysis of the geometrical parameters obtained particles. Demonstrated ability to particles obtained stability maintenance forms and sizes for a long time without a stabilizer.

Key words: obtaining, sol, silver, solutions, silver nitrate, nanoparticles, contact nonequilibrium low-temperature plasma.

Вступ. В останні десятиліття істотно зріс інтерес до синтезу нанорозмірних частинок, зокрема, наночасток окремих металів. У першу чергу це пов’язано з тим, що нанооб’єкти істотно відрізняються своїми властивостями від макрооб’єктів. Це привело до відкриття нових можливостей їх застосування для отримання нових матеріалів з якісно іншими характеристиками, які знаходять все більше застосування в різних галузях науки і техніки [1]. Так, останнім часом наноматеріали використовуються для отримання ефективних та виборчих каталізаторів, для створення елементів мікроелектронних і оптичних пристроїв, синтезу матеріалів з унікальними властивостями. Крім того, існує можливість застосування наночасток для отримання медичних і біологічних препаратів.

Методи отримання наночасток (НЧ) можна розділити на фізичні та хімічні [2]. У фізич­них методах наночастинки утворюються внаслідок подрібнення великих металевих частинок за допомогою колоїдних млинів або ультразвукового диспергування (термічне випаровування НЧ при обробці лазером, електричною дугою тощо, конденсацію вихідного матеріалу у вакуумі, механохімічним диспергуванням, електроерозією, літографією), а в хімічних методах наночастки отримують у результаті хімічного відновлення в розчині іонів металів (термічного або радіаційного відновлення металовмісних сполук, розкладання при впливі УЧ-випромінення, температури або синтезу у зворотних міцелах, на межі розділу фаз або золь-гель методу). На початку 1990-х років широке використання радіаційно-хімічного методу дозволило за короткий термін суттєво розширити коло металів, що отримують у нанорозмірному стані з водних розчинів [3]. Проте він є енергоємними, що здорожує собівартість отриманої продукції. У зв’язку з чим розроблення нових високоефективних технологій, спрямованих на отримання нанорозмірних неорганічних сполук, нині є актуальним.

Аналіз досліджень і публікацій. Детальний аналіз напрацювань вітчизняних та зарубіжних учених із зазначеної проблеми [4-6] свідчить, що на сьогодні, перспективними для синтезу дисперсних матеріалів є застосування нерівноважної плазми. Окремі наукові співтовариства застосовують останню переважно у газовій фазі, з цією метою застосовують коронний, бар’єрний або іскровий плазмові розряди. Окреме місце серед плазмохімічних розрядів займає контактна нерівноважна низькотемпературна плазма [7]. Плазмовий розряд генерується між електродом, що знаходиться в газовій фазі, та поверхнею рідини, в об’ємі якої знаходиться інший електрод. Таким чином, хімічні перетворення на границі розподілу фаз обумовлені комплексним впливом електрохімічного окиснення-відновлення; реакціями фотолізу, що ініціюються, УФ-опроміненням; потоком заряджених часток з газової фази на поверхню рідкого середовища [8]. У попередній роботі авторами показана ефективність використання контактної нерівноважної низькотемпературної плазми (КНП) для синтезу наночасток золота [9].

Цілі і завдання досліджень. Тому з метою розширення кола металів, отриманих плазмохімічним способом, завданням роботи є дослідження ефективності синтезу срібла із використанням контактної нерівноважної низькотемпературної плазми.

Для досягнення цієї мети вирішувались такі завдання:

дослідити ефективність використання контактної нерівноважної плазми для синтезу наночасток срібла з водних розчинів без додаткового введення відновників та високомолекулярних стабілізаторів;

встановити вплив концентрації прекурсору та енергетичних параметрів обробки водних розчинів AgNO3 з метою отримання наночасток відновленого срібла;

із застосуванням аналітичного обладнання загального та спеціального призначення та обладнання, що є типовим для фізико-хімічного аналізу нанорозмірних неорганічних сполук, дослідити геометричні параметри синтезованих наночасток.

Методика синтезу та аналіз сполук, одержаних плазмохімічним способом. Формування колоїдних розчинів наночасток срібла здійснювали за допомогою відновлення водного розчину нітрата срібла. Процес протікає за такою схемою: AgNO3+[відновник]→на­ночастки срібла. У роботі використовувався нітрат срібла марки «ч.д.а.», розчини виготовляли із використанням дистильованої води. Плазмохімічну обробку таких розчинів проводили в газорідинному плазмохімічному реакторі періодичної дії, схема і параметри роботи якого представлено в роботі [8]. Абсорбційну спектроскопію було використано для первинного аналізу присутності наночасток, синтезованих із використанням контактної нерівноважної низькотемпературної плазми. Оптичні спектри золів реєстрували на спектрофотометрі Specord 210 plus BU в діапазоні 315–950 нм. Виміри проводилися при кімнатній температурі. Розмір і форму часток золів визначали за допомогою електронного мікроскопа «Jem 1010» (JEOL) при робочому значенні напруги 200 кВ. Зразки готували шляхом чотириразового центрифугування колоїдів з відділенням осаду, редіспергіюванні їх у метанолі і наступним нанесенням спиртової дисперсії на мідну сітку, покриту шаром аморфного вуглецю (200 mesh, Ted Pella, Inc., США), та сушінням на повітрі. Рентгенофазовий аналіз дисперсної фази отриманих колоїдних розчинів срібла із використанням рентгенівського дифрактометра ДРОН-2, в СоКα-випроміненні в інтервалі кутів 2θ = 20÷100°. Для виділення дисперсної фази наночасток колоїдний розчин у хлороформі наносили на під­кладку і залишали на повітрі до повного випаровування розчинника.

Одержання колоїдних розчинів срібла під дією контактної нерівноважної низькотемпературної плазми. Достовірно відомо [8], що при впливі КНП на водне середовище має місце утворення активних часток – електронів, які у ньому будуть знаходитися у сольватованому стані е-(aq):

2 O -(aq) + 4H + + O2. (1)

Відповідно до [10] сольватовані електрони при взаємодії у водному розчині з іонами срібла відновлюють його до металевого срібла відповідно до реакції:

Ag+ + е-(aq)Ag0. (2)

Експериментальні дослідження показали, що використання КНП є ефективним інструментом синтезу золів срібла. Спостереження свідчать, що останні являють собою окрашені дисперсні системи. Залежно від мольного співвідношення метал:відновник, що обумовлено тривалістю та параметрами обробки розчину КНП, колір синтезованих золів срібла змінюється від майже прозорого до зелено-коричневого.

Характерною рисою наночасток є їх взаємодія з електромагнітним випромінюванням. Особливістю спектрів поглинання наночасток розміром більше 2 нм є присутність широкої смуги поверхнево-плазмонного резонансу (ППР) у видимій області або в прилеглій до неї ближньої УЧ-області. На рис. 1 показані спектри досліджуваного розчину при поетапному його опроміненні КНП при кімнатній температурі. Встановлено, що по мірі збільшення часу плазмохімічного опромінення, тобто зростання концентрації одержуваного у плазмохімічному процесі відновника (Н2О2), відбувається підвищення інтенсивності оптичного поглинання розчину і помітна зміна у структурі спектра. Смуга поглинання з максимумом 418 нм отримана після припинення впливу КНП рис. 1 (крива 4) відповідає ППР ізольованих і слабо взаємодіючих наночасток срібла, синтезованих у результаті дії контактної нерівноважної плазми на розчин (CAgNO3 10-3 моль/л, I=120 мА та Р=0,8 МПа).

Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012