Synteza Nanoproszków Metody Chemiczne II

Transkrypt

1 Synteza Nanoproszków Metody Chemiczne II Bottom Up Metody chemiczne Wytrącanie, współstrącanie, Mikroemulsja, Metoda hydrotermalna, Metoda solwotermalna, Zol-żel, Synteza fotochemiczna, Synteza sonochemiczna, Spray pyrolysis, Flame pirolysys, SHS, Czy tylko wymuszona reakcja (np. hydroliza) prowadzi do przesycenia? Zasada metody: 1. wytworzenie aerozolu (mgły); 2. wprowadzenie filtr jej do obszaru o podwyższonej temperaturze piec, elektrostatyczny płomień; piec mgła 3. odseparowanie proszku; gaz nośny i/lub reakcyjny roztwór kationów 2.6 MHz 1

2 Nanoproszki Ceramiczne Materiały Wykład Ceramiczne IV Metody Wykład Chemiczne 3 Proszki II Co się dzieje w trakcie wzrostu temperatury? parowanie ciepło dyfuzja PAROWANIE ROZPUSZCZALNIKA WYTRĄCANIE FAZY STAŁEJ SUSZENIE ROZKŁAD AGREGACJA I Jak kontrolować morfologię proszku? wysoka rozpuszczalność pojedyncze cząstki pojedyncza kropla odparowanie rozpuszczalnika rozkład termiczny słabe agregaty niska rozpuszczalność mocne agregaty Synteza BaZrO 3, roztwór azotanów, spray pyrolysis 2

3 wielkość krystalitów BaZrO 3 wielkość cząstek BaZrO 3 wielkość krystalitów, nm temperatura, o C E-3 0,01 stężenie, M wielkość cząstek, nm ,1 800 temperatura, o C E-3 0,01 0,1 stężenie, M SASP 0,2 M Zn(NO 3) % at. Mn(NO 3) M tiomocznik, 600 C, produkt??? g-al 2O 3 Al(NO 3) 3 + poliglikol etylenowy, bezwodny etanol 3

4 Synteza w stopionych solach Nanoproszki Ceramiczne Wykład IV Metody Chemiczne I Czy szybko zachodzące reakcje mogą prowadzić do syntezy nanoproszków? SHS samopodtrzymująca się reakcja wysokotemperaturowa Zewnętrzne źródło ciepła Chemiczna reakcja egzotermiczna Ciepło wydzielone w czasie reakcji Ciepło odprowadzone I II III IV i. szybkość wydzielania ciepła < szybkość odprowadzania ciepła ii. szybkość wydzielania ciepła = szybkość odprowadzania ciepła iii. szybkość wydzielania ciepła > szybkość odprowadzania ciepła 4

5 zapłon lokalny wybuch termiczny Co można syntezować metodą SHS tlenki 4Al + 3O 2 2Al 2O 3 węgliki Si + C SiC azotki 3Si + 2N 2 Si 3N 4 tlenoazotki 2Al + 2Al 2O 3 + N 2 2Al 3O 3N związki międzymetaliczne Al + 3Ti Ti 3Al nanolaminaty 3Ti + Si + 2C Ti 3SiC 2 tlenki podwójne 4Al + CaO +3O 2 CaAl 4O 7 Czy w tym proszku jest coś nano? 5

6 Czy nie można zmodyfikować metody SHS tak aby syntezować nanoproszki (małe krystality + słabe agregaty)? SHS + intensywne mielenie; SHS + aktywacja mechaniczna; SHS + obróbka chemiczna (dyspersja chemiczna); SHS w obecność soli; SHS w obecności węgla (carbon combustion synthesis); Dyspersja chemiczna (chemical dispersion) trawienie produktów reakcji SHS w rozcieńczonych kwasach (częściej), zasadach lub solach (rzadko) BN, AlN, Si 3N 4 + HNO 3, H 2SO 4. po chemical dispersion as received Spalanie w obecności soli metali alkalicznych silnie redukujący metal (Mg) reaguje z tlenkiem metalu przejściowego (MeO x) w obecności soli alkalicznej (NaCl). Produktem są nanocząstki metalu (Me). Ciepło reakcji jest wystarczające do stopienia soli, której obecność nie dopuszcza do agregacji nanocząstek. Produkt uboczny (MgO) może być łatwo usunięty w reakcji z rozcieńczonym kwasem: TiO 2 + 2Mg Ti + 2MgO 6

7 Synteza tlenków wspomagana spalaniem węgla metoda otrzymywania tlenków, w tym złożonych, w której węgiel jest paliwem w miejsce metalu jak w standardowym SHS-ie. Duże ilości powstającej fazy gazowej prowadzą do powstania silnie porowatej mikrostruktury i zapobiegają silnej agregacji BaTiO 3, LiNbO 3, BiFeO 3, LaGaO 3, LiMn 2O 4, Synteza przez spalanie roztworów (solution combustion synthesis) reakcja spalania roztworu złożonego z silnego utleniacza (azotan) oraz silnego reduktora (glicyna, hydrazyna, aminy, mocznik). Synteza przez spalanie roztworów jednym ze sposobów prowadzenia reakcji jest spalanie zaimpregnowanego nośnika. 7

8 CVD, CVS Chemiczne osadzanie (synteza) z fazy gazowej CVD, CVS reakcja chemiczna zachodzi w stanie gazowym z utworzeniem stałego produktu lub jego prekursora; substratami są związki metaloorganiczne, wodorki, chlorki itp.; w zależności od sposobu prowadzenia reakcji można otrzymać warstwy lub proszki. Parametrami kontrolującymi proces są: ciśnienie całkowite (100 Pa 1 kpa), ciśnienia cząstkowe reagentów, temperatura (do kilkuset C), przepływ gazu nośnego, czas reakcji, geometria reaktora. CVD, CVS 3C-SiC Prekursorami są silan i acetylen (3:1): 2 SiH 4 + C 2H 2 2 SiC + 5 H 2 ciśnienie całkowite kpa, przepływ cm 3 /min -1, temperatura 1100 C. CVD, CVS Si 3N 4 Prekursorami są silan i amoniak (1:12): 3 SiH NH 3 Si 3N H 2 ciśnienie całkowite kpa, przepływ cm 3 /min -1, temperatura C. 8

9 PA-CVD Reakcja pomiędzy gazowymi reagentami zachodzi w plaźmie mikrofalowej. PA-CVD SiC, 640 W, 10 dm 3 /min Ar, 10 g/h czterometylosilanu, 30 min, 16 nm 9