Д.В. Акимов, Н.Б. Егоров

Томский политехнический университет

НЕкоторые свойства наночастиц свинца

Данная работа выполнялась с целью исследования свойств наночастиц свинца. В литературе имеются сведения о синтезе частиц свинца при восстановлении и термолизе свинецорганических соединений в органических растворителях и полимерных матрицах, при электролитическом осаждении из водных растворов, фотолизе и радиолизе, диспергировании расплавленного свинца в органических или металлических средах. Учитывая литературные данные и наши предварительные эксперименты для синтеза наночастиц свинца, в работе был использован стеарат свинца при термическом разложении которого образуется металлический свинец.

В качестве растворителя стеарата свинца применяли октанол. Растворы готовили растворением точных навесок стеарата свинца в нагретом до 120 ⁰С октаноле. Для синтеза частиц свинца использовали растворы стеарата свинца в октаноле с концентрацией от 0.01 до 0.1 М. Время кипячения растворов варьировали от 2 до 12 ч. Для исключения процесса окисления образующихся частиц свинца через раствор пропускали инертный газ (аргон).

После окончания реакции термолиза порошок отделяли от раствора центрифугированием, отмывали его от продуктов разложения нагретым толуолом и сушили в вакууме. Используя центрифугирование, не все образующиеся при разложении PbSt частицы свинца можно выделить из раствора. Центрифугат после отделения порошка свинца остается окрашенным. На рис. 1 представлены микрофотографии частиц свинца, оставшихся в центрифугате. Как видно из рисунка частицы центрифугата имеют округлую форму и размер от 5 до 20 нм. Несмотря на то, что порошок свинца отмывали от продуктов разложения PbSt толуолом, на микрофотографиях видно, что частицы покрыты оболочкой.

Рис. 1 Микрофотография частиц свинца, находящихся в центрифугате

Исследование наночастиц с помощью ИК-спектроскопии показало, что оболочка, покрывающая частицы свинца и наблюдаемая на микрофотографиях состоит из неразложившегося PbSt. При обработке полученного после центрифугирования порошка свинца толуолом, Me₂CO, PrⁱOH или гексаном происходит его частичное растворение. По всей видимости, эта способность к растворению частиц свинца связана с наличием оболочки PbSt на их поверхности и может проявляться в других органических растворителях. Известно, что свинец является смазочным материалом, поэтому добавление, например, в бензин, керосин или в различные масла растворимых наночастиц свинца позволит увеличить износоустойчивость материалов. Исследование наночастиц свинца в таком качестве потенциально интересно.

Для получения наночастиц свинца, свободных от PbSt, полученный в OсОН и отмытый в толуоле порошок свинца нагревали в вакууме при 280 ⁰С в течение 3 часов. При этом происходило термическое разложение остатков PbSt и удаление образующихся при разложении органических соединений. На рис. 2 представлены данные ТГА частиц свинца после термической обработки в вакууме. Из кривых ТГ и ДТА следует, что с самого начала нагревания в образце начинается процесс разложения, который сопровождается экзотермическим эффектом с максимумом ~225 ⁰С. На кривой ТГ после 100 ⁰С наблюдается увеличение массы образца, которое продолжается до температуры плавления свинца (~326 ⁰С), после чего масса образца уменьшается до ~99.5 %.

Наблюдаемый на кривой ДТА экзотермический эффект по всей видимости связан с разложением PbSt, образующего оболочку вокруг наночастиц свинца. Его удаление с поверхности наночастиц свинца приводит к их окислению кислородом, который в качестве примеси содержится в аргоне (химическая чистота использованного аргона 99.993 %). При расплавлении частиц свинца оксидная пленка может быть восстановлена продуктами разложения PbSt, выделяющимися из расплава, например, образующимся газом СО. Как видно из кривой ТГ (рис. 6) частицы свинца, полученные после совместной обработки порошка толуолом и в вакууме, содержат не более 0.5 % PbSt, который предохраняет их от окисления кислородом воздуха.

Рис. 2 Дериватограмма частиц свинца после отмывки толуолом и термической обработки в вакууме

Эксперимент с нагреванием наночастиц в атмосфере аргона проделывался неоднократно и всегда сопровождался увеличением массы образцов с последующим ее уменьшением при расплавлении наночастиц свинца. Это свидетельствует о высокой химической активности наночастиц свинца к кислороду и указывает на возможность их использования в качестве геттерного материала.