Способ получения нанопорошка триоксида молибдена MoО в реакторе Российский патент 2023 года по МПК B01D7/02 B01D5/00 C01G39/02 B82Y40/00 B82B3/00 B01J19/08 B01J19/14 

Изобретение относится к области получения оксидных материалов и может быть использовано в нанотехнологиях, связанных с применением нанопорошков.

Развитие нанотехнологий требует получения наноматериалов из различных оксидных соединений. Одним из таких материалов является триоксид молибдена (MoO₃), перспективный для изготовления сцинтилляторов сложного состава на основе молибдатов и вольфраматов металлов, а также широко применяемый как катализатор для селективного окисления, как присадка в масла для снижения трения, как промежуточный продукт для получения тонких прозрачных оксидных пленок.

Известен способ получения порошка триоксида молибдена [1] - аналог, в котором порошок триоксида молибдена с размером частиц до 200 нм получают механическим размолом предварительно синтезированного микропорошка MoO₃. Основным недостатком способа является большой размер частиц (до 200 нм).

Известен способ получения порошка триоксида молибдена [2] - аналог, в котором порошок триоксида молибдена с размером частиц не более 100 нм получают механоактивированием промышленного порошка MoO₃, то есть механическим размолом порошка в мельнице. Основным недостатком способа является большой размер частиц (до 100 нм).

Известен способ получения нанопорошка триоксида молибдена [3], который по числу совпадающих существенных признаков является прототипом предлагаемого изобретения. Способ основан на сублимации технического порошка MoO₃ с последующим охлаждением сублимированной субстанции для получения нанопорошка MoO₃ хладагентом, например жидким азотом.. Этот способ лишен недостатков механического размалывания.

Однако аппаратная реализация этого способа сложная и требует применения высоких температур (оптимальные результаты достигаются в температурном интервале (1093-1260°С). Кроме того, для реализации способа требуется применение криогенной жидкости, например, жидкого азота.

При этом наночастицы, полученные данным способом, имеют форму стержней. Диаметр наночастиц, измеренный по электронно-микроскопическим изображениям в описании патента-прототипа, составляет 25-50 нм, то есть является относительно большим.

Технической задачей данного изобретения является создание способа, обеспечивающего получение нанопорошка триоксида молибдена с диаметром стержней в интервале 5-10 нм.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности промышленного производства нанопоршка триоксида молибдена дешевым способом на простом по конструкции оборудовании.

Указанная техническая задача и результат достигаются в результате того, что в способе получения нанопорошка триоксида молибдена МоО₃ в реакторе путем испарения порошка MoO₃ и осаждения его паров на подложку, реактор, внутри которого размещена подложка с порошком MoO₃, заполняют гелием под давлением 6-8 МПа, нагревают порошок до 650-700° в течение 10-20 минут, а затем охлаждают до комнатной температуры и извлекают из реактора.

Проведение технологических операций по предлагаемому способу позволяет получать нанопорошок из триоксида молибдена с диаметром стержней в интервале 5-10 нм. При этом температура проведения процесса существенно ниже, чем в способе-прототипе.

Проведенные эксперименты показали следующее:

Оптимальная температура нагрева порошка триоксида молибдена MoO₃ составляет 650-700°С. При более низких температурах не происходит испарения порошка, а при более высоких температурах вместо нанопорошка образуются игольчатые микрокристаллы.

При давлениях гелия ниже 6 МПа, из-за большой скорости испарения источника триоксида молибдена MoO₃, в зоне осаждения растут преимущественно микрокристаллы MoO₃. Увеличение давления выше 8 МПа не приводит к росту выхода нанопорошка.

При временах проведения процесса менее 10 минут снижается выход нанопорошка, а при продолжительности процесса свыше 20 минут в зоне осаждения наблюдается значительное количество микрокристаллов в виде иголок с диаметром до 10 мкм и более.

Выбор инертного газа гелия в качестве рабочей среды обусловлен тем, что использование других газов (аргон, кислород и т.д.) не приводит к образованию нанопорошка триоксида молибдена в условиях процесса.

Способ поясняется изображениями на фигурах.

Фиг. 1 Схема одной из возможных установок для реализации предлагаемого способа.

Фиг. 2 изображение нанопорошка, приготовленного по предлагаемому способу. Изображение получено в сканирующем электронном микроскопе Versa. Надписями на изображении показаны диаметры отдельных стержней нанопорошка. Видно, что диаметры этих наностержней находятся в интервале 5-10 нм.

Одним из возможных устройств, на котором может быть реализован способ, является лабораторная установка, схема которой приведена на Фиг. 1. Устройство рассчитано на исходную загрузку МоО₃ массой до 15 г.

Устройство содержит патрубок 1 для ввода гелия внутрь камеры реактора, электрический нагреватель 2, лодочку 3, предназначенную для размещения исходной навески внутри камеры реактора, подложку 4 из кварцевого стекла для осаждения нанопорошка; патрубок 5 для отвода гелия при сбросе давления в камере реактора. Зона испарения в устройстве ограничена нагревателем 2, а зона осаждения - подложкой 4.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Навеску MoO₃ массой 15 г. поместили в лодочку в зоне испарения реактора (Фиг. 1). В зоне осаждения разместили подложку из кварцевого стекла. Реактор заполнили гелием так, что в рабочем режиме давление в камере составило 6 МПа. Зону испарения реактора разогрели до температуры 650°С. Процесс вели в течение 20 минут, после чего нагрев был отключен. После охлаждения подложка была извлечена из зоны осаждения. На подложке образовался нанопорошок MoO₃ с диаметром частиц 5-10 нм (Фиг. 2). Масса полученного нанопорошка составила 9,3 г.

Пример 2.

Навеску MoO₃ массой 15 г. поместили в лодочку в зоне испарения реактора. В зоне осаждения была размещена подложка из кварцевого стекла Реактор заполнили гелием так, чтобы в рабочем режиме давление в камере составляло 8 МПа. Зону испарения реактора разогрели до температуры 700°С. Процесс проводили в течение 10 минут, после чего нагрев был отключен. После охлаждения реактора подложка была извлечена из зоны осаждения. На подложке образовался нанопорошок MoO₃ с диаметром частиц 5-10 нм. Масса полученного нанопорошка составила 9,4 г.

Пример 3.

Навеску MoO₃ массой 15 г. поместили в лодочку в зоне испарения реактора. В зоне осаждения была размещена подложка из кварцевого стекла. Реактор был заполнен гелием так, что в рабочем режиме давление в камере составило 6 МПа. Зона испарения реактора была разогрета до температуры 600°С. Процесс проводили в течение 20 минут, после чего нагрев был отключен. После охлаждения реактора подложка была извлечена из зоны осаждения. На подложке не было зафиксировано образования нанопорошка.

Пример 4.

Навеску MoO₃ массой 15 г. поместили в лодочку в зоне испарения реактора. В зоне осаждения разместили подложку из кварцевого стекла Реактор заполнили гелием так, что в рабочем режиме давление в камере составило 6 МПа. Зона испарения реактора была разогрета до температуры 850°С. Процесс проводили в течение 20 минут, после чего нагрев был отключен. После охлаждения реактора подложка была извлечена из зоны осаждения. На подложке не образовался нанопорошок, осаждение MoO₃ произошло в виде игольчатых микрокристаллов и их сростков.

Пример 5.

Навеску MoO₃ массой 15 г. разместили в лодочке в зоне испарения реактора. В зоне осаждения была размещена подложка из кварцевого стекла. Реактор был заполнен гелием так, что в рабочем режиме давление в камере составляло 6 МПа. Зона испарения реактора была разогрета до температуры 650°С. Процесс проводили в течение 25 минут, после чего нагрев был отключен. После охлаждения реактора подложка была извлечена из зоны осаждения. На подложке образовался порошок MoO₃ с диаметром частиц свыше 10 нм и содержащий примесь микрокристаллов триоксида молибдена.

Пример 6.

Навеску MoO₃ массой 15 г. разместили в лодочке в зоне испарения реактора. В зоне осаждения разместили подложку из кварцевого стекла. Реактор заполнили гелием так, что в рабочем режиме давление в камере составило 6 МПа. Зона испарения реактора была разогрета до температуры 650°С. Процесс проводили в течение 5 минут, после чего нагрев был отключен. После охлаждения реактора подложка была извлечена из зоны осаждения. На подложке было зафиксировано образование незначительного количества нанопорошка МоО₃ (масса полученного нанопорошка составила 1,07 г.)

Приведенные примеры показывают, что определены оптимальные параметры рабочих процессов, и предлагаемый способ пригоден для промышленного применения.

Источники информации

1. CN114314666 (A), «Oxygen vacancy type nano molybdenum trioxide antibacterial agent and preparation method thereof», МПК A01N59/16; A01P1/00; B82Y40/00; C01G39/02, опубл. 12.04.2022

2. RU 2444560 «Металлсодержащая присадка к топливам, способ ее получения и способ ее применения», МПК C01L 1/10, опубл. 10.03.2012.

3. US 2009142597 «Nano-Particles of Molybdenum Oxide» B01D 5/00, B01D 7/00, опубл. 04.06.2009

Изобретение относится к области нанооксидных материалов, конкретно к методу получения нанопорошка триоксида молибдена, применяемого для изготовления сцинтилляторов сложного состава, как катализатора для селективного окисления в качестве присадки в масла для снижения трения и как промежуточного продукта для получения тонких прозрачных оксидных пленок. Способ получения нанопорошка MoO₃ в реакторе путем испарения порошка MoO₃ и осаждения его паров на подложку характеризуется тем, что реактор, внутри которого размещена подложка с порошком MoO₃, заполняют гелием под давлением 6-8 МПа, нагревают порошок до 650-700°C в течение 10-20 минут, а затем охлаждают до комнатной температуры и извлекают из реактора. Техническим результатом изобретения является обеспечение способа изготовления целевого материала с диаметром стержней 5-10 нм на простом по конструкции оборудовании. 2 ил., 6 пр.

Способ получения нанопорошка триоксида молибдена MoO₃ в реакторе путем испарения порошка MoO₃ и осаждения его паров на подложку, отличающийся тем, что реактор, внутри которого размещена подложка с порошком MoO₃, заполняют гелием под давлением 6-8 МПа, нагревают порошок до 650-700°C в течение 10-20 минут, а затем охлаждают до комнатной температуры и извлекают из реактора.