Закономерности формирования метало-углеродных наночастиц при пиролизе и фотолизе газообразных соединений


Просмотр статьи
PDF, 4,2 МБ

Regularities in the Formation of Metal-Carbon Nanoparticles during Pyrolysis and Photolysis of Gaseous Compaunds

The process of nanoparticle growth during photolysis and pyrolysis of metal carbonyls vapor in the presence of various hydrocarbons was studied. When UV radiation or temperature is applied to mixtures containing molybdenum hexacarbonyl and iron pentacarbonyl, these molecules decompose, forming an atomic metal vapor with well-known and easily controlled parameters. The subsequent process of condensation of supersaturated metal vapor, in the presence of hydrocarbons, leads to the formation of metal-carbon nanoparticles consisting of metal cores coated with a carbon shell. The radiation source for photo-dissociation of precursors was a pulsed Nd: YAG laser operated at 266 nm. A shock wave reactor was used for pyrolysis of gaseous precursors. The process of growth of nanoparticles was observed with the help of the laser extinction method, the nanoparticle samples were examined with the help of a transmission electron microscope. Particle sizes, as well as regularities of their growth in dependence on synthesis conditions, are determined.

ultraviolet photo-dissociation, metal-carbon nanoparticles, laser extinction, electron microscopy

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.2.743

Евгений Валерьевич Гуренцов, Александр Викторович Еремин, Станислав Алексеевич Мусихин, Роман Николаевич Колотушкин, Дмитрий Николаевич Хмеленин, Юрий Васильевич Григорьев

Том 19, выпуск 2, 2018 год



В работе исследован процесс роста наночастиц при фотолизе и пиролизе паров карбонилов металлов в присутствии различных углеводородов. При воздействии УФ излучения или температуры на смеси, содержащие гексакарбонил молибдена и пентакарбонил железа эти молекулы распадаются, образуя атомарный пар металла с хорошо известными и легко контролируемыми параметрами. Следующий за этим процесс конденсации пересыщенного металлического пара, в присутствии углеводородов, приводит к формированию металлоуглеродных наночастиц, состоящих из металлических ядер, покрытых углеродной оболочкой. В качестве источника излучения для фото-диссоциации прекурсоров использовался импульсный Nd:Yag лазер на 4ой гармонике (266 нм). Для проведения процесса пиролиза использовался ударно-волновой реактор. Процесс роста наночастиц наблюдался при помощи метода лазерной экстинкции, образцы наночастиц исследовались при помощи просвечивающего электронного микроскопа. Определены структура, размеры частиц, а также закономерности их роста в зависимости от условий синтеза.

ультрафиолетовая фото-диссоциация, металло-углеродные наночастицы, лазерная экстинкция, электронная микроскопия

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.2.743

Евгений Валерьевич Гуренцов, Александр Викторович Еремин, Станислав Алексеевич Мусихин, Роман Николаевич Колотушкин, Дмитрий Николаевич Хмеленин, Юрий Васильевич Григорьев

Том 19, выпуск 2, 2018 год



1. Xia Y., Gates B., Yin Y., Lu Y. Monodispersed colloidal spheres: Old Materials with new applications // Adv. Mater. 2000. V.12. P. 693-713.
2. Emerich D.F., Thanos C.G. The pinpoint promise of nanoparticle-based drug delivery and molecular diagnosis // Biomol. Eng. 2006. V. 23. P. 171-184.
3. Li C. A targeted approach to cancer imaging and therapy // Nature Mater. 2014. V. 13. P. 110-115.
4. Zanganeh S., Hutter G., Spitler R., Lenkov O., Mahmoudi M., Shaw A. Iron oxide nanoparticles inhibit tumour growth by inducing pro-inflammatory macrophage polarization in tumor tissues // Nature Nanotech. 2016. V. 11. P. 986-995.
5. Su M., Li Y., Maynor B., Buldum A. Lattice-Oriented Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes // J. Phys. Chem. B. 2000. V. 104. No. 28. P. 6505-6508.
6. Liu Y., Takeuchi K., Park K.C., Muramatsu H., Fukuyo T., Endo M. Effect of MoO3 as conditioning catalyst on synthesis of carbon nanotubes // J. Mater. Res. 2009. V. 24. No. 4. P. 1307-1310.
7. Tang S., Zhong Z., Xiong Z., Sun L., Liu L., Lin J Shen Z.X., Tan K.L. // Chemical Physics Letters. 2001. V. 350. P. 19-26.
8. Yu L., Zhang X, Tao X., Xu J., Chen F., Huang W., Liu F. Growth Mechanism of Multi-Walled Carbon Nanotubes with or without Bundles by Catalytic Deposition of Methane on Mo/MgO // Chemical Physics Letters. 2004. V. 386. P.105–10.
9. Agafonov G.L., Smirnov V.N., Vlasov P.A. Effect of iron pentacarbonyl on soot formation behind shock waves // Combust. Sci. Technol. 2012. V. 184. P.1838-1861.
10. Starke R., Kock B., Roth P. Nano-particle sizing by laser-induced-ncandescence (LII) in a shock wave reactor // Shock Waves. 2003. V. 12. P. 351–360.
11. Гуренцов Е.В., Еремин А.В., Штарке Р., Ротт П. Формирование железо-углеродных наночастиц за ударными волнами // Кинетика и катализ. 2005. Т. 46. № 3. С. 333-343.
12. Elihn K., Landström L., Heszler P. Emission spectroscopy of carbon covered iron nanoparticles in different gas atmospheres // Appl. Surf. Sci. 2002. V. 186. P. 573-577.
13. Гуренцов Е.В., Еремин А.В. Синтез металлоуглеродных наночастиц при импульсном УФ фотолизе смесей Fe(CO)5 с CCl4 при комнатной температуре // Письма в журнал технической физики. Т. 41. № 11. С. 71-78.
14. Еремин А. В., Гуренцов Е. В., Емельянов А. В. Синтез металлоуглеродных наночастиц при импульсном УФ фотолизе гексакарбонила молибдена с недокисью углерода // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т.17, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-1/articles/607/
15. Eremin A., Gurentsov E., Mikheyeva Е. Experimental study of temperature influence on carbon particle formation in shock wave pyrolysis of benzene and benzene-ethanol mixtures // Combustion and Flame. 2015. V. 162. P. 207-215.
16. Eremin A.V., Gurentsov E.V., Priemchenko K.Y. Iron particle growth induced by Kr-F excimer laser photolysis of Fe(CO)5 // Journal of Nanoparticle Research. 2013. V.15. P. 1737.
17. Eremin A. Formation of carbon nanoparticles from the gas phase in shock wave pyrolysis processes // Prog. Energy Combust. Sci. 2012. V. 38. P. 1- 40.
18. Michelsen H.A., Schulz C., Smallwood G.J., Will S. Laser-induced incandescence: Particulate diagnostics for combustion, atmospheric, and industrial applications // Prog. Energy Combust. Sci. 2015. V. 51. P. 2–48.
19. Гуренцов Е.В. Еремин А.В. Измерение размеров углеродных и железных наночастиц методом лазерно-индуцированной инкандесценции // Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 47. № 5. С. 687-695.
20. Гуренцов Е.В., Еремин А.В., Михеева Е.Ю., Мусихин С.А. Аномальное поведение оптической плотности железных наночастиц при их нагреве за ударными волнами // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 6. С. 960-962.
21. Eremin A., Gurentsov E., Mikheyeva Е. Experimental study of molecular hydrogen influence on carbon particle growth in acetylene pyrolysis behind shock waves // Combustion and Flame. 2012. V. 159. P. 3607-3615.
22. Bokhonov B.B. Permeability of carbon shells during sulfidation of encapsulated silver nanoparticles // Carbon. 2014. V. 67 P. 572–77.
23. Schaper A.K., Hou H., Greiner A., Schneider R., Phillipp F. Copper nanoparticles encapsulated in multi-shell carbon cages // Applied Physics A. 2004. V. 78. P. 73–77.
24. Michelsen H.A. Understanding and predicting the temporal response of laser-induced incandescence from carbonaceous particles // J. Chem. Phys. 2003. V. 118. P. 7012-7045.