ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАСТВОРНОГО САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА НАНОЧАСТИЦ МЕДИ И ЕЕ ОКСИДОВ

  • Николай Владимирович Моисеев Самарский государственный технический университет
  • Владислав Александрович Новиков Самарский государственный технический университет
  • Александр Петрович Амосов Самарский государственный технический университет
Ключевые слова: нитрат меди, мочевина, объемное горение, термодинамический анализ, адиабатическая температура, медь, оксиды меди

Аннотация

Наноструктурные медь и ее оксиды Cu2O и CuO являются перспективными для широкого применения в различных областях промышленности и техники материалами. Среди большого числа существующих методов их получения выделяется, благодаря своей технической и экономической эффективности, метод растворного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-Р), основанный на горении смеси реагентов сильно экзотермических окислительно-восстановительных реакций в растворе.

Приведены результаты впервые проведенного термодинамического анализа реакции окислителя – нитрата меди Cu(NO3)2 и восстановителя (топлива) – мочевины CO(NH2)2, растворенных в дистиллированной воде. Составлено общее стехиометрическое уравнение окислительно-восстановительной реакции, выбраны условия для проведения термодинамического анализа. Применение компьютерной программы THERMO позволило рассчитать адиабатические температуры и составы продуктов реакции в зависимости от соотношения топливо/окислитель в смеси реагентов, определяемого величиной известного критерия φ, и наличия внешнего молекулярного кислорода в зоне реакции; определить условия протекания окислительно-восстановительной реакции в режиме растворного объемного СВС с образованием наночастиц меди и оксидов меди CuO и Cu2O. В случае топливо-бедных смесей реагентов (φ≤1) внутреннего атомарного кислорода в составе смеси с избытком хватает для полного окисления топлива, и обеспечивается образование оксида меди CuO. В случае топливо-богатых смесей (φ≥1) решающее значение имеет наличие или отсутствие внешнего газообразного кислорода в зоне реакции: при стехиометрическом его содержании газовая среда является окислительной и реакция СВС-Р сопровождается образованием оксида меди CuO; в отсутствие внешнего молекулярного кислорода газовая среда является восстановительной, и реакция СВС-Р приводит к синтезу чистой меди.

Биографии авторов

Николай Владимирович Моисеев, Самарский государственный технический университет

магистрант кафедры металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов

Владислав Александрович Новиков, Самарский государственный технический университет

ассистент кафедры металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов

Александр Петрович Амосов, Самарский государственный технический университет

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов

Литература

Lv J.J., Li M.Y., Zeng Q.X. Preparation and Characterization of Copper Oxide and Copper Nanoparticles // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 308-310. P. 715–721.

Zhang Q., Zhang K., Xu D., Yang G., Huang H., Nie F., Liu C., Yang S. CuO nanostructures: Synthesis, characterization, growth mechanisms, fundamental properties, and applications // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 60. № 1. P. 208–337.

Gawande M.B., Goswami A., Felpin F.-X., Asefa T., Huang X., Silva R., Zou X., Zboril R., Varma R.S. Cu and Cu-based nanoparticles: synthesis and applications in catalysis // Chemical Reviews. 2016. Vol. 116. № 6. P. 3722–3811.

Lanje A.S., Sharma S.J., Pode R.B., Ningthoujam R.S. Synthesis and optical characterization of copper oxide nanoparticles // Advances in Applied Science Research. 2010. Vol. 1. № 2. P. 36–40.

Pan K., Ming H., Yu H., Liu Y., Kang Z., Zhang H., Lee S.-T. Different Copper Oxide Nanostructures: Synthesis, Characterization, and Application for C-N Cross-Coupling Catalysis // Crystal Research and Technology. 2011. Vol. 46. № 11. P. 1167−1174.

Umadevi M.A., Christy A.J. Synthesis, Characterization and Photocatalytic Activity of CuO Nanoflowers // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2013. Vol. 109. P. 133−137.

Christy A.J., Nehru L.C., Umadevi M. A Novel Combustion Method to Prepare CuO Nanorods and Its Antimicrobial and Photocatalytic Activities // Powder Technology. 2013. Vol. 235. P. 783−786.

Li G., Li X., Zhang Z. Preparation Methods of Copper Nanomaterials // Progress in Chemistry. 2011. Vol. 23. № 8. P. 1644–1656.

González-Cortés L.S., Imbert F.E. Fundamentals, Properties and Applications of Solid Catalysts Prepared by Solution Combustion Synthesis (SCS) // Applied Catalysis A: General. 2013. Vol. 452. P. 117−131.

Varma A., Mukasyan A., Rogachev A., Manukyan K. Solution Combustion Synthesis of nanoscale materials // Chemical Reviews. 2016. Vol. 116. № 23. P. 14493–14586.

Novikov V., Xanthopoulou G., Knysh Yu., Amosov A.P. Solution Combustion Synthesis of nanoscale Cu-Cr-O spinels: mechanism, properties and catalytic activity in CO oxidation // Ceramics International. 2017. Vol. 43. № 15. P. 11733–11742.

Podbolotov K.B., Khort A.A., Tarasov A.B., Trusov G.V., Roslyakov S.I., Mukasyan A.S. Solution combustion synthesis of copper nanopowders: The fuel effect // Combustion Science and Technology. 2017. Vol. 189. № 11. P. 1878–1890.

Романовский В.И., Хорт А.А., Подболотов К.Б., Сдобняков Н.Ю., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н. Одностадийный синтез полиметаллических наночастиц в воздушной среде // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2018. Т. 61. № 9-10. С. 42–47.

Росляков С.И. Получение нанокристаллических порошков Ni и Fe2O3 методом СВС в растворах и исследование их каталитических и магнитных свойств : дис. … канд. техн. наук. М.: МИСИС, 2016. 146 с.

Khaliullin Sh.M., Zhuravlev V.D., Bamburov V.G. Solution-combustion synthesis of oxide nanoparticles from nitrate solutions containing glycine and urea: Thermodynamic aspects // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2016. Vol. 25. № 3. P. 139–148.

Khaliullin Sh.M., Zhuravlev V.D., Bamburov V.G. Solution-combustion synthesis of MZrO3 zirconates (M = Ca, Sr, Ba) in open reactor: Thermodynamic analysis and experiment // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2017. Vol. 26. № 2. P. 93–101.

Jain S.R., Adiga K.C., Pai Verneker V.R. A New Approach to Thermochemical Calculations of Condensed Fuel-Oxidizer Mixtures // Combustion and Flame. 1981. Vol. 40. № С. P. 71−79.

Ширяев А.А. Особенности использования метода термодинамического анализа при исследовании процессов СВС // Инженерно-физический журнал. 1993. Т. 65. № 4. С. 412–418.

Mukasyan A.S., Epstein P., Dinka P. Solution Combustion Synthesis of Nanomaterials // Proceedings of the Combustion Institute. 2007. Vol. 31. № 2. P. 1789−1795.

Munir Z.A., Anselmi-Tamburini U. Self-propagating exothermic reactions: The synthesis of high-temperature materials by combustion // Materials Science Reports. 1989. Vol. 3. № 7-8. P. 277–365.

Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 400 с.

Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Константы неорганических веществ. М.: Дрофа, 2006. 685 с.

Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Реакции неорганических веществ. М.: Дрофа, 2007. 637 с.

Опубликован
2019-09-30
Выпуск
Раздел
Технические науки