Новый способ получения композиционных материалов «наночастица — углеродное нановолокно»

Новые наноматериалы, состоящие из углеродных нанотрубок или нановолокон, декорированных наночастицами металлов (например, платины или палладия), перспективны для применения в качестве химических сенсоров, сорбентов водорода, электрокатализаторов топливных элементов [1,2].

Неудивительно, что исследователи постоянно ищут такие способы получения этих нанокомпозитов, которые позволили бы наиболее полно использовать их уникальные свойства. О некоторых новых методиках уже сообщалось в публикациях ПерсТа [3]. Но, оказывается, весьма эффективным может оказаться умелое применение давно известного способа. В недавней совместной японско-корейской работе сообщается о получении углеродных нановолокон с наночастицами палладия на поверхности при помощи электроспиннинга (electrospinning) и последующей термообработки [4].

Процесс электроспиннинга – вытягивание тончайшего волокна (на микро- или нано- уровне) из жидкости под действием электрического поля — известен более 100 лет. Он был запатентован [5] еще в 1902 году! Важный шаг от теории к промышленному производству волокон и пряжи из полимерных прекурсоров был сделан в 1934 г. в Германии [6]. Российские ученые также внесли большой вклад. Технология производства нетканых волокнистых материалов, основанная на электростатическом вытягивании волокон из растворов полимеров, была разработана для нужд атомной промышленности в сороковых годах прошлого века в СССР в НИФХИ им. Л.Я. Карпова под руководством И.В. Петрянова-Соколова. Она применяется и при производстве фильтров Петрянова.

Рис.1. Типичное устройство электроспиннинга [7]

В последнее время электроспиннинг стал чрезвычайно популярным! Произошло это благодаря развитию нанотехнологий. Оказалось, что с его помощью можно получать нановолокна из самых разных материалов – полимеров, композитов, полупроводников, металлов, даже керамики. Более того, используя различные конструкции и модификации аппаратуры, описанные в обзоре [7], можно in situ формировать ансамбли нановолокон, расширяющие возможности применения. Электроспиннинг заинтересовал и нанобиотехнологов, в частности, для производства волокон медицинского назначения.

«Классический» вариант устройства показан на рис.1.

Для синтеза углеродных нановолокон с наночастицами Pd авторы [4] модифицировали методику следующим образом. Они добавили в раствор полимерного прекурсора (полиакрилонитрила) хлорид палладия. Полученные нановолокна стабилизировали термообработкой на воздухе (280^оС, 1 час). Стабилизация на воздухе – важный шаг для превращения органических волокон в углеродные без нарушения морфологии волокна. Катионы палладия, захваченные волокном при его формировании в процессе электроспиннинга, при этом превращаются в наночастицы оксида палладия диаметром менее 10 нм. (Авторы отмечают, что несомненное влияние каталитически активного палладия на процесс стабилизации еще предстоит детально изучить). Затем проводитят термообработку в атмосфере аргона (300 и 800^оС, 1 час), которая приводит к появлению на внешней поверхности волокон равномерно распределенных круглых наночастиц металлического палладия (100–200 нм). Образование частиц металла подтверждается соответствующими пиками на рентгеновских дифрактограммах (рис.2).

Данные сканирующей электронной микроскопии для нановолокон на разных стадиях синтеза приведены на рис.3.

Такой способ получения нановолокон, декорированных наночастицами металла, имеет ряд преимуществ перед обычным синтезом нановолокон или нанотрубок на катализаторах: 1) не нужно удалять частицы катализатора, 2) нановолокна могут быть получены в виде тонкой ткани, 3) частицы Pd частично внедрены в волокно и поэтому прочно связаны с его внешней поверхностью.

Рис.3. Микрофотографии полученных нановолокон (а,b); нановолокон после стабилизации на воздухе (c,d) и после термообработки в атмосфере аргона (e-h)

Этим методом, по мнению авторов [4], могут быть получены материалы на основе углеродных волокон с наночастицами различных металлов (например, Au, Ag, Pt, Ru, Rh, Os, Ir), которые без дальнейшей обработки могут использоваться как эффективные электроды (нано-Pt), в био/газовых сенсорных (нано-Au) и противомикробных (нано-Ag) устройствах, в качестве фильтров и др. Таким образом, возможные области применения не ограничиваются физикой, химией, материаловедением и технологией, но также включают медицину и биологию.

О. Алексеева

• 1. ПерсТ 12, вып.1/2, с.5 (2005)
• 2. ПерсТ 15, вып.17, с.6 (2008)
• 3. ПерсТ 14, вып.4, с.4 (2007)
• 4. C.Kim et al., Nanotechnology 19, 145602 (2008)
• 5. J.F.Cooley. U.S. Patent 692,631 (1902); W.J.Morton. U.S. Patent 0,705,691 (1902)
• 6. A.Formhals. U.S. Patent 1,975,504 (1934)
• 7. W.E.Teo. Nanotechnology 17, R89 (2006)