СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТА Российский патент 2018 года по МПК C01B32/174 B82B3/00 C01G19/02 B82Y30/00 

Описание патента на изобретение RU2664525C1

Изобретение относится к способам формирования нанокомпозитов на основе многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и наночастиц олова и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей нового поколения, чувствительного элемента газового сенсора.

В настоящее время существуют различные способы формирования композитов на основе углеродных нанотрубок и частиц Ме-МеОх (Me=Fe, Ni, Sn) со структурой ядро-оболочка (core-shell). Такие композиты являются перспективными материалами для гетерогенного катализа, анодных материалов литий-ионных аккумуляторов, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Известен способ формирования композитного материала со структурой ядро-оболочка/углеродные нанотрубки (Fe-Fe2O3/УНТ) на основе функционализированных УНТ и железа (III) хлорид гексагидрата (FeCl3⋅6H2O) посредством ультразвукового диспергирования в деионизованной воде с последующим добавлением NaOH и достижения pH 11 [Chao Wu, Quanchao Zhuang, Leilei Tian, Yongli Cui, Xinxi Zhang. Facile synthesis of Fe-Fe2O3 core-shell nanoparticles attached to carbon nanotubes and their application as high performance anode in lithium-ion batteries // Materials Letters. 2013. V. 107. P. 27-30]. В дальнейшем полученная суспензия сушилась при 160°С в течение 12 часов. После охлаждения до комнатной температуры, полученный материал промывался деионизированной водой с последующим трехкратным промыванием в этаноле и высушивался при 50°С под вакуумом в течение 7 часов. Последний этап формирования композитов заключался в спекании материала при 500°С в течение 10 ч в атмосфере аргона.

К недостаткам этого способа относится необходимость использования функционализированных УНТ, многостадийность и длительность процедуры формирования композитного материала, а также применение различных химических реагентов, остатки которых могут негативно сказываться на характеристиках получаемого материала.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления композитного материала Sn/SnO2/МУНТ для анодов литий-ионных аккумуляторов посредством многостадийного процесса, который включает приготовление листа (buckypaper) из МУНТ (производства Arry Nano, Германия), термическое испарение Sn с последующим осаждением на лист из углеродных нанотрубок и окислением полученного материала в высокочастотной плазме [Mirac Alaf, Ubeyd Tocoglu, Fuat Kayis, and Hatem Akbulut. Sn/SnO2/MWCNT composite anode and electrochemical impedance spectroscopy studies for Li-ion batteries // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures/ 2016. VOL. 24. NO. 10. P. 630-634 (прототип)]. Перед изготовлением листа из МУНТ с использованием технологии вакуумной фильтрации проводилась очистка МУНТ от различных включений (аморфного углерода и частиц катализатора), а также их функционализация с использованием химических окислителей. На втором этапе производилось осаждение олова на лист МУНТ с использованием термического испарения высокочистого металлического олова (99,999%) в атмосфере аргона (1 Па). Затем для получения SnO2 использовали окисление в высокочастотной плазме в атмосфере Ar:О2 (1:1).

Данный метод также имеется ряд существенных недостатков. Требуется получение особо чистых, тщательно подготовленных материалов, что увеличивает трудоемкость и дороговизну метода, необходимость функционализации МУНТ, использование для этого химических окислителей, в частности кислот, ухудшающих экологичность процесса, трудоемкость и длительность процедур удаления их остатков, что, однако, не гарантирует абсолютного их удаления и, соответственно, делает возможным ухудшение характеристик формируемого композитного материала

Задачей настоящего изобретения является разработка более экономичного, экологичного и менее трудоемкого способа формирования нанокомпозита на основе МУНТ и частиц Sn/SnOx со структурой ядро (Sn) - оболочка (SnOx).

Предлагаемый способ получения нанокомпозита на основе многостенных углеродных нанотрубок и наночастиц олова со структурой ядро-оболочка включает формирование массива МУНТ и осаждение Sn на МУНТ, и отличается тем, что МУНТ получают на подложке в реакторе, Sn осаждают термическим разложением SnCl2*2H2O, а образование наночастиц Sn(ядро)/SnOx(оболочка) осуществляют путем трехкратного облучения импульсным ионным пучком наносекундной длительности.

По данному способу методом CVD (Chemical Vapor Deposition) в реакторе на подложках получен массив МУНТ, толщина выращенного слоя ~ 15±3 мкм. Затем путем гидролиза и термического разложения соединения SnCl2*2H2O с последующим осаждением паров также методом CVD получен композит SnO2-х/МУНТ с высаженными частицами кристаллического диоксида олова с характерным размером ~120 нм.

Модифицирование композита SnO2-х/МУНТ проводилось путем трехкратного облучения импульсным ионным пучком наносекундной длительности с получением наночастиц олова со структурой ядро-оболочка Sn (ядро)/SnOx (оболочка), закрепленных на поверхности углеродных нанотрубок.

Для изучения структуры и состава нанокомпозитов применялись методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на автоэмиссионном ПЭМ - JEM 2200FS фирмы JEOL с использованием для элементного и фазового анализа методик энергодисперсионного и дифракционного анализа, а также рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на аналитическом комплексе Kratos Axis Ultra DLD.

На фиг. 1 приведена гистограмма по распределению размеров кластеров оксида олова в сформированных композитах до облучения, полученная из данных ПЭМ. Из гистограммы следует, что в композитах до облучения кластеры оксида олова имеют относительно большие размеры (~ 100-130 нм). При этом изображение ПЭМ, показанное на фиг. 2, свидетельствует о протяженных открытых участках углеродных нанотрубок, что является нежелательным. При этом данные РФЭС (фиг. 3), как и изображение ПЭМ (фиг. 4) указывают на то, что кластеры не обладают структурой ядро-оболочка и представлены оксидом олова, близким по составу к SnO2.

Значение плотности энергии ионного пучка играет важную роль для формирования нанокомпозитов, так как при ее увеличении до 1.0-1.2 Дж/см2 наблюдалось существенное снижение концентрации олова с одновременным частичным разрушением слоя МУНТ, что делает затруднительным использование композитов в качестве анодных материалов литий-ионных аккумуляторов, чувствительных элементов газовых сенсоров. При этом оптимальным режимом облучения оказался режим с плотностью энергии облучения, равной 0.5 Дж/см2, при которой не происходит существенного снижения количества олова и разрушения слоя МУНТ. Также важна роль оптимального количества импульсов ионного облучения. Данные ПЭМ для композитов, облученных одним (фиг. 5-7) и тремя (фиг. 8-10) импульсами показывают, что структуру ядро (Sn) - оболочка (SnOx) на поверхности МУНТ удалось получить только при количестве импульсов, равном трем (фиг. 9). Наличие в кластерах ядра из металлического олова (Sn) подтверждается данными РФЭС (фиг. 11). При данном количестве импульсов достигается также минимальный размер (~ 12-18 нм) (фиг. 10) и равномерное распределение кластеров Sn/SnOx (фиг. 8), в то время, как при количестве импульсов 1 размеры кластеров SnOx существенно выше (фиг. 7) и, соответственно, имеются достаточно протяженные открытые участки углеродных нанотрубок (фиг. 5).

Таким образом установлено, что облучение композита SnO2-х/МУНТ приводит к формированию достаточно равномерно диспергированных по поверхности МУНТ частиц со структурой «ядро-оболочка» с резкой межфазной границей SnOx-Sn, в которых «ядром» является металлическое олово (Sn0) с характерным размером ~ 10-15 нм, а «оболочкой» - тонкий аморфный слой (2-6 нм), состоящий из нестехиомтерических оксидов олова со средней стехиометрией SnO0.9.

Пример осуществления способа.

Массив МУНТ формируют методом CVD при пиролизе смеси ацетилонитрила и ферроцена (100:1) на подложках из монокристаллического кремния с поверхностным термическим оксидом толщиной 100 нм. Синтез МУНТ проведен в реакторе при температуре 800°С в течение 12 минут. Толщина выращенного слоя МУНТ составляет ~ 15 мкм.

Композит SnO2-х/МУНТ получен путем гидролиза и термического разложения соединения SnCl2*2H2O при температуре 380°С с последующим осаждением паров на разогретую до 240°С подложку Si/SiO2 с массивом МУНТ. Время синтеза композита составляет 15 минут. Средний размер частиц кристаллического диоксида олова ~ 120 нм.

Модифицирование композита SnO2-х/МУНТ проводится импульсным ионным пучком на ускорителе ТЕМР-4М со следующими параметрами: состав пучка Н+ - 15%, С+ - 85%, энергия 250 keV, длительность импульса 120 ns, количество импульсов - 3, плотность энергии 0.5 J/cm2. Доза имплантированных ионов составляет ~1013 ion/cm2.

Средний размер кластеров Sn/SnOx (частиц со структурой «ядро-оболочка») в полученном нанокомпозите составляет ~ 15 нм.

Данный способ по сравнению со способом по прототипу обладает рядом преимуществ. Он не требует специальной очистки МУНТ, а также их функционализации. Соответственно, не используются вредные химические окислители и не требуется трудоемкая длительная процедура очистки от их остатков, отсутствует необходимость использования особо чистых материалов. Процесс импульсного ионного облучения осуществляется в вакууме, что делает его экологически чистым.

Таким образом, предложен менее трудоемкий, экономичный и экологичный способ получения нанокомпозитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и наночастиц олова со структурой ядро-оболочка.

Похожие патенты RU2664525C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ПОРИСТОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИОКСИДА ОЛОВА 2018
  • Несов Сергей Николаевич
  • Корусенко Петр Михайлович
  • Поворознюк Сергей Николаевич
  • Болотов Валерий Викторович
  • Ивлев Константин Евгеньевич
RU2671361C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКОВ ГАЗОВ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ 2012
  • Рембеза Станислав Иванович
  • Свистова Тамара Витальевна
  • Рембеза Екатерина Станиславовна
  • Кошелева Наталья Николаевна
RU2528032C2
Способ формирования контактной поверхности анода литий-ионных аккумуляторов 2020
  • Поворознюк Сергей Николаевич
  • Несов Сергей Николаевич
  • Корусенко Петр Михайлович
  • Болотов Валерий Викторович
RU2739574C1
Способ получения многослойных нанокомпозитных пленок CuO/C с сенсорными свойствами в широком спектральном оптическом диапазоне 2023
  • Пугачевский Максим Александрович
  • Ней Винг Аунг
RU2810420C1
Способ модифицирования электродного материала суперконденсатора 2020
  • Корусенко Петр Михайлович
  • Несов Сергей Николаевич
  • Болотов Валерий Викторович
  • Поворознюк Сергей Николаевич
  • Князев Егор Владимирович
RU2735324C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТА ПОЛИМЕР/УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ НА ПОДЛОЖКЕ 2009
  • Агеев Олег Алексеевич
  • Сюрик Юлия Витальевна
RU2400462C1
ВЫСОКОПЛОТНЫЙ ТРЕХМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ МИКРО- И МЕЗОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И/ИЛИ МАЛОСЛОЙНЫХ ГРАФЕНОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2020
  • Савилов Сергей Вячеславович
  • Суслова Евгения Викторовна
  • Черняк Сергей Александрович
  • Иванов Антон Сергеевич
  • Архипова Екатерина Анатольевна
RU2744163C1
Нанокомпозитный магнитный материал на основе поли-3-амино-7-метиламино-2-метилфеназина и наночастиц FeO, закрепленных на одностенных углеродных нанотрубках, и способ его получения 2016
  • Озкан Света Жираслановна
  • Карпачева Галина Петровна
RU2635254C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДМАТРИЧНОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КОМПОЗИТА 2022
  • Захаров Юрий Александрович
  • Сименюк Галина Юрьевна
  • Троснянская Татьяна Олеговна
  • Пугачев Валерий Михайлович
  • Додонов Вадим Георгиевич
  • Руссаков Дмитрий Михайлович
  • Исмагилов Зинфер Ришатович
RU2790222C1
Способ получения композитных наноструктурированных порошков на основе графена и оксидов Al, Ce и Zr 2018
  • Трусова Елена Алексеевна
  • Кириченко Алексей Николаевич
  • Коцарева Клара Викторовна
RU2706652C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 664 525 C1

Реферат патента 2018 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТА

Изобретение относится к химии, электротехнике и нанотехнологии и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей нового поколения, а также чувствительных элементов газовых сенсоров. Сначала формируют массив многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) на подложке в реакторе, затем осаждают на них Sn термическим разложением SnCl2⋅2H2O. После этого осуществляют образование наночастиц ядро-оболочка Sn/SnOx трехкратным облучением импульсным ионным пучком наносекундной длительности. Способ прост и менее трудоёмок за счёт исключения операций предварительной подготовки и очистки исходных материалов и экологичен за счёт исключения использования вредных окислителей. 11 ил.

Формула изобретения RU 2 664 525 C1

Способ получения нанокомпозита на основе многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и наночастиц олова со структурой ядро-оболочка, включающий формирование массива МУНТ и осаждение Sn на МУНТ, отличающийся тем, что МУНТ получают на подложке в реакторе, Sn осаждают термическим разложением SnCl2*2H2O, а образование наночастиц Sn(ядро)/SnOx(оболочка) осуществляют путем трехкратного облучения импульсным ионным пучком наносекундной длительности.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2664525C1

MIRAC ALAF et al, Sn/SnO 2 /MWCNT composite anode and electrochemical impendance spectroscopy studies for Li-ion batteries, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 2016, v
Пишущая машина для тюркско-арабского шрифта 1922
  • Мадьярова А.
  • Туганов Т.
SU24A1
ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ОПОРА ДЛЯ КАНАТНОГО ТРАНСПОРТЕРА 1923
  • Красин Г.Б.
  • Ушков Н.А.
SU630A1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКОВ ГАЗОВ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ 2012
  • Рембеза Станислав Иванович
  • Свистова Тамара Витальевна
  • Рембеза Екатерина Станиславовна
  • Кошелева Наталья Николаевна
RU2528032C2
Способ приготовления лака 1924
  • Петров Г.С.
SU2011A1
Автомобиль-сани, движущиеся на полозьях посредством устанавливающихся по высоте колес с шинами 1924
  • Ф.А. Клейн
SU2017A1
R.V.GELAMO et al, Multiwall Carbon Nanotubes Decorated with Metal Oxide Nanoparticles for Gas Sensing Applications, ESC Transactions, 2009, v
Прибор для равномерного смешения зерна и одновременного отбирания нескольких одинаковых по объему проб 1921
  • Игнатенко Ф.Я.
  • Смирнов Е.П.
SU23A1
Прибор для корчевания пней 1921
  • Русинов В.А.
SU237A1
M
ALAF et al, Production of Sn/SnO 2 /MWCNT Composites by Plasma Oxidation After Thermal Evaporation from Pure Sn Targets Onto Buckypapers, Nanosci
and Nanotechnol., 2012, v
Способ гальванического снятия позолоты с серебряных изделий без заметного изменения их формы 1923
  • Бердников М.И.
SU12A1
Приспособление к ткацкому станку с зацепками для удержания уточной нити 1927
  • И. Габлер
SU9058A1
H
AKBULUT et al, The Superior Surface Discharge Capacity of Core-Shell Tinoxide/Multi Walled Carbon Nanotube Nanocomposite Anodes for Li-Ion Batteries, ACTA PHYSICA POLONICA, 2014, v
Плуг с фрезерным барабаном для рыхления пласта 1922
  • Громов И.С.
SU125A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Способ получения коричневых сернистых красителей 1922
  • Чиликин М.М.
SU335A1

RU 2 664 525 C1

Авторы

Корусенко Петр Михайлович

Несов Сергей Николаевич

Поворознюк Сергей Николаевич

Болотов Валерий Викторович

Пушкарев Александр Иванович

Даты

2018-08-20Публикация

2017-05-23Подача