Synthesis of Fe-based nanoparticles in the carbon monoxide atmosphere by vapor phase
decomposition method
Iron-based nanoparticles was successfully synthesized in flux reactor by chemical vapour condensation (CVC) process using CO as carrier gas and iron carbonyl as precursor. Average particle size increased from 15 up to 70 nm with increasing time and/or temperature of reaction. Depending on process parameters phase composition of products can be varied in the wide range: from carbon coated BCC or FCC solid solution based nanocapsules to fully cementite nanoparticles, or to be the binary of ternary mixture of BCC, FCC, and cementite phases. Existence of different phase in final product is strongly depending on reactor temperature and carrier gas flow rate. It was suggested that cementite formation are going on due to surface reaction between solid iron and carbon monoxide. Semi empirical model of reaction was built and compared with experimental data.
Методом парофазного разложения в поточном реакторе синтезированы наночастицы системы железо-углерод. В качестве исходного вещества был использован пентакарбонил железа, который испарялся с контролируемой скоростью в потоке монооксида углерода. Средний размер частиц увеличивался от 15 до 70 нм при увеличении температуры и/или времени реакции. В зависимости от условий эксперимента состав продуктов реакции изменялся в широких пределах: от нанокапсул на базе феррита и аустенита, покрытых углеродом в виде сажи или графита, до цементита или смеси этих фаз в различных соотношениях. Экспериментально определены области получения различных продуктов реакции в зависимости от температуры реактора и расхода монооксида углерода. Установлено, что образование цементита может происходить за счет поверхностной реакции между сконденсированным железом и монооксидом углерода. Предложена полуэмпирическая модель процесса, которая хорошо описывает экспериментально наблюдаемые закономерности процесса образования конечных продуктов.
1. L. Hu, M. Chen. Preparation of Ultrafine Powder: the Frontier of Chemical Engineering (review) // Materials Chemistry and Physics. 1996. V.43. P.212– 219. 2. А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия. 2000. 672 с. 3. I.Nobory, O.Yoshihary, and K.Seiichiro, Superfine Particle Technology. Springler-Verlag, London 1988. p.379. 4. Fine Particles—Synthesis, Characterization and Mechanisms of Growth ed. by T. Sugimoto, Marcel Dekker, New York, 1996. 5. A.G. Nasibulin, P.P. Ahonen, O. Richard, E.I. Kauppinen, I.S. Altman (2001) Copper and Copper Oxide Nanoparticle Formation by Chemical Vapor Nucleation from Copper (II) Acetylacetonate. J. Nanoparticle Res. Vol. 3, issue 5-6, pp. 383-398. 6. A.G. Nasibulin, O. Richard, E.I. Kauppinen, D.P. Brown, J.K. Jokiniemi, I.S. Altman. (2002) Nanoparticle Production by Copper (II) Acetylacetonate Vapor Decomposition – The Effect of Carrier Gas Oxygen Concentration. Aerosol Sci. Tech. 36(8), 899-911. 7. А. Г. Насибулин, Л. И. Шурыгина, E. I. Kauppinen, Cинтез наночастиц методом парофазного разложения ацетилацетоната меди (II). Колл. Журнал 67(1), 1-21. 8. P. P. Ahonen, J. Joutsensaari, O. Richard, U. Tapper, D. P. Brown, J. K. Jokiniemi, and E. I. Kauppinen. (2001) Mobility Size Development and the Crystallization Path during Aerosol Decomposition Synthesis of TiO2 Particles. J. Aerosol Sci. 32 (5), 615-630. 9. J. Joutsensaari, P.P. Ahonen, E.I. Kauppinen, D.P. Brown, K.E.J. Lehtinen, J.K. Jokiniemi, B. Pauwels, and G. Van Tendeloo. (2000) Aerosol Synthesis of Fullerene Nanocrystals in Controlled Flow Reactor Conditions. J. Nanoparticle Res. 2, 53-74. 10. U. Backman, U. Tapper; J.K. Jokiniemi. An aerosol method to synthesize supported metal catalyst nanoparticles. Synthetic Metals, Vol. 142, pp. 169-176, 2004. 11. C. W. Bale, P. Chartrand., S. A. Degterov, G. Eriksson, K. Hack, Ben Mahfoud R., Melançon J., Pelton A. D., and Petersen S. // Calphad 2002. V. 26. 189-228. 12. Л.А. Панюшин, Ю.П. Смирнов. Лабораторный практикум по теории металлургических процессов. Л.: ЛПИ им.Калинина. 1988. 88 c. 13. C.J. Choi, O. Tolochko, B.K. Kim Preparation of iron nanoparticles by chemical vapor condensation // Materials Letters. 2002. V.56. P.289– 294 14. Ultra-Fine Particles: Exploratory, Science and Technology ed. by C. Hayashi, R.Ueda, A.Tasaki. 1997. Noyes Publ. Westwood, NJ. USA. 447 p. 15. P.N. Nikolaev P, M.J. Bronikowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith and R.E. Smalley. Gas-phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide // Chem. Phys. Lett. 1999. V.313. No1-2. P.91-97. 16. А.В. Крестинин, В.Н. Смирнов, И.С. Заслонко "Кинетическая модель разложения Fe(CO)5 и конденсации железа за ударной волной". Хим.Физ. 1990. Т.9(3). Сс.418-425 17. M. D. Rumminger, D. Reinelt, V. Babushokand, G. T. Linteris Numerical study of the inhibition of premixed and diffusion flames by iron pentacarbonyl. COMBUSTION AND FLAME 116:207–219 (1999) 18. A. Giesen, A. Kowalik, P. Roth Iron-atom condensation interpreted by a kinetic model and a nucleation model approach. Phase Transitions(2004) 77 (1-2) 115 - 129 19. C. D. Scott, A. Povitsky, С. Dateo, T. Gökçen, P. A. Willis, R. E. Smalley “Iron Catalyst Chemistry in Carbon Monoxide Modeling a High-Pressure Nanotube Reactor” J. Nanosci. Nanotech. (2003), 3, 63-73. 20. П.А. Власов, И.С. Заслонко, Ю.К. Карасевич. Высокотемпературная кинетика с участием кластеров. Математическая модель кинетики конденсации и распада микрочастиц на примере кластеров железа. Теплофизика высоких температур (1998) 36 (2) 206-214. 21. A. G. Nasibulin, I. S. Altman, E. I. Kauppinen. Semiempirical Dynamic Phase Diagrams of Crystalline Products During Copper (II) Acetylacetonate Decomposition. Chemical Physics Letters, (2003) 367(5-6), 771-777. 22. D.E. Rosner Transport Processes in Chemical Reacting Flow Systems. Dover Publications, INC. Mineola, New York. 2000. 587 pp.
