Наиболеезначимые результаты исследований лаборатории аналитических методов исследования вещества

Сплошная оболочка, как новый путь получения материалов с улучшенными электрокаталитическими характеристиками

Авторы: Г.Н. Чурилов, Н.С. Николаев, В.Г. Исакова, Г.А. Глущенко

В рамках фундаментального направления научных исследований были получены порошки с частицами: оксида алюминия, покрытого углеродной оболочкой и декорированного палладием ((Аl2O3@C)/Pd); с частицами алмаза, покрытого никелевой оболочкой (С(алмаз)@Ni) и оксида магния, декорированного палладием (MgO/Pd).

Методом ЦВА оценен потенциал реакций окисления полученными частицами метилового спирта в щелочной среде, являющийся одним из главных критериев отбора электрокатализатора для щелочных топливных элементов.

При скорости развертки 100мВ/сек частицы (Аl2O3@C)/Pd показали потенциал окисления МеОН Е=550 мВ при плотности тока 6000 мкА.

Частицы MgO/Pd показали потенциал окисления спирта Е=360 мВ, при плотности тока 800 мкА. Значительный сдвиг потенциала в сторону понижения указывает на более высокую электрокаталитическую активность частиц MgO/Pd по сравнению с (Аl2O3@C)/Pd. Из полученных нами наноматериалов наиболее высокую электрокаталитическую активность в реакции окисления МеОН имеют частицы алмаза, покрытые никелевой оболочкой. Потенциал окисления частиц С(алмаз)@Ni Е=250 мВ.

Таким образом, нами впервые показано, что Аl2O3, покрытый углеродной оболочкой (плазмо-химическим методом) может использоваться как носитель электрокатализатора, способный работать в щелочных и кислых средах.

Также фундаментальное значение имеет получение частиц алмаза, покрытых сплошной оболочкой никеля, и обнаруженная их высокая электрокаталитическая активность.

Николаев Н.С., Исакова В.Г., Чурилов Г.Н., Глущенко Г.А., Томашевич Е.В.
Синтетические алмазы, с поверхностностью модифицированной никелем в плазменном потоке и их электрокаталитическое поведение в щелочной среде //
Applied Surface Science. – 2020. – в печати (Impact Factor WoS – 6.182, Q1)

Установка для синтеза частиц с магнитной и вихревой стабилизацией плазмы

Авторы: Г.Н. Чурилов, Н.С. Николаев, Г.А. Глущенко, В.Г. Исакова, В.И. Елесина

На основе разработанного генератора плазмы [Чурилов Г.Н., Николаев Н.С., Внукова Н.Г. Способ синтеза частиц со структурой ядро-оболочка // Патент № 2727436, выдан 21.07.2020 г.] изготовлена установка для плазмохимического нанесения оболочек на поверхность вводимых частиц, рис. 1. Благодаря вихревой подаче стабилизирующего газа, осевому магнитному полю, синфазному току разряда, установка позволяет получать плазму не загрязненную материалами стенок плазмотрона. С ее помощью можно синтезировать чистые композиционные материалы с контролируемым стехиометрическим составом.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для синтеза частиц с магнитной и вихревой стабилизацией плазмы: 1 – поток плазмы, 2 – торцевые полые водоохлаждаемые электроды, 3 – керамическая камера стабилизации, 4 – катушка стабилизации,
5 – каналы для подачи стабилизирующего газа,
6 – водоохлаждаемая камера, заполненная гелием

Рис. 2. СЭМ-изображение типичной частицы порошка (Mg@C)@Pd после 10-ти циклов гидрирования/дегидрирования

Частицы ядро-оболочка обладают многими интересными свойствами. Их называют сверхатомами, в том случае, если материал ядра и окружающий его материал оболочки отличаются разной шириной запрещенной зоны. Используя установку (рис. 1) нами впервые были получены и исследованы порошки с частицами (Mg@C)@Pd (рис. 2). Такие частицы могут быть использованы для решения задач водородной энергетики, поскольку углерод и палладий в виде сплошных оболочек непроницаемы для кислорода и паров воды, частицы обладают способностью к объёмной диффузии водорода. Полученные порошки с частицами (Mg@C)@Pd обладают высокой сорбционной способностью, количество запасенного водорода в течение 5-ти циклов составляет 6.95 вес.%. Этот результат соответствует ведущим мировым достижениям в этой области.

Чурилов Г.Н., Николаев Н.С., Внукова Н.Г.
Способ синтеза частиц со структурой ядро-оболочка //
Патент № 2727436, выдан 21.07.2020 г.

Churilov G.N., Nikolaev N.S., Glushenko G.A., Еlesina V.I., Isakova V.G., Tomashevich Ye.V.
Obtaining particles with the structure Mg@C and (Mg@C)@Pd, their properties and
stability in the hydrogenation/dehydrogenation processes //
International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – в печати (Impact Factor Scopus – 4.939, Q2)

Генератор плазменного потока с магнитной и вихревой газовой стабилизацией, как основа методики получения частиц со структурой ядро- оболочка

Авторы: Чурилов Г.Н., Николаев Н.С., Внукова Н.Г.

На основе двухструйного генератора ВЧ плазмы со стабилизацией плазменных струй синфазным току разряда осевым магнитным полем и вихревым потоком холодного газа, выполняющего одновременно роль термостабилизирующего и транспортного, разработан ряд методик синтеза частиц со структурой ядро – оболочка. В устройстве удалось получить стабильный интерфейсный слой – границу плазмы и холодного вихревого потока газа. Это позволило разработать методики, позволяющие получать частицы с ядром из легкоплавкого вещества и тугоплавкой оболочки. Например, тугоплавкое вещество подается с потоком плазмы, а легкоплавкое с вихревым потоком холодного газа. В интерфейсном слое, на холодных частицах конденсируются пары тугоплавкого вещества с образованием легкоплавких частиц с тугоплавкой оболочкой, рис.1 а. В соответствии с другой методикой, с вихревым холодным потоком газа подаются пары ацетилацетоната палладия, а частицы магния также подаются с потоком плазмы. В интерфейсном слое, на поверхности горячих частиц магния ацетилацетонат палладия разлагается, и палладий покрывает частицу магния, рис 1б.

a

b

Рис. 1. a) ПЭМ-изображение частиц Mg покрытых Pd (Hitach S7700, в КЦП КНЦ СО РАН), b) принципиальная схема синтеза частиц: 1 – плазменный поток, 2 – вихревой поток холодного газа, 3 – стенки стабилизирующей камеры, I) раскалённая частица покидает плазменный объём, II) на её горячей поверхности разлагаются молекулы ацетилацетоната палладия, III) на частице формируется оболочка палладия.

Чурилов Г.Н., Николаев Н.С., Внукова Н.Г.
Способ синтеза частиц со структурой ядро-оболочка //
Заявка на патент; 2019124745 (дата приоритета 1.08.2019)
Churilov G.N., et. al.
Core-shell nanosize particles Mg@Ni: synthesis and properties //
Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics – 2019. - 12(1), - P. 28–35.

Генератор плазмы с магнитно–вихревой стабилизацией для синтеза наночастиц со структурой ядро-оболочка

Авторы: Г.Н. Чурилов, Н.С. Николаев

Разработана методика и изготовлен лабораторный вариант генератора стабильных плазменных потоков с управляемым элементным составом плазмы. На рис. 1а представлена фотография генератора, а на рис. 1б – распределение температуры и электронной концентрации в потоке плазмы. Показано, что в такой плазме можно получать частицы со структурой ядро-оболочка. На рис. 2 приведены фотография порошка с частицами Mg@Ni (а) и его магнитные характеристики (б).



Рис.1. а- Фотография генератора стабильных плазменных потоков; б- Распределение температуры и электронной концентрации в плазменном потоке (красным – температура, синим – электронная концентрация)	Рис.2. а- Фотография порошка с частицами Mg@Ni, б- Петля гистерезиса порошка с частицами Mg@Ni (намагниченность насыщения и индукция насыщения: 0,42 emu/g и 1700 Ое, соответственно)

Г.Н. Чурилов, Н.С, Николаев, К.В. Шичалин, В.А. Лопатин,
Генератор плазмы с магнитно-вихревой стабилизацией и возможности его применения //
Письма в ЖТФ. – 2019. - том 45. - вып. 1. - с. 42-45.

Высокоэффективная методика синтеза индивидуальных эндоэдральных металлофуллеренов и количественного анализа их содержания в фуллереновой смеси

Авторы: Чурилов Г.Н., Внукова Н.Г., Дудник А.И., Глущенко Г.А.

Впервые представлены результаты по синтезу эндоэдральных металлофуллеренов (ЭМФ) с иттрием в дуговом ВЧ разряде в потоке гелия при введении Y₂O₃. Образование ЭМФ зависит от давления гелия в камере, однако, эту зависимость нельзя объяснить в рамках модели образования обычных фуллеренов. Показано, что оптимальное давление, соответствующее максимальному содержанию ЭМФ с иттрием, соответствует 66 kPa, при этом экстракция дисульфидом углерода позволяет выделить фуллереновую смесь в количестве 15.2— 27.1 wt.%.

Зависимость выхода ЭМФ с иттрием от давления гелия в камере

Разработана методика количественного экспресс анализа содержания ЭМФ в фуллереновой смеси. В основе методики лежит применение метода масс-спектрометрии (для определения вида ЭМФ) и элементного анализа. Результаты, полученные по методике, подтверждены методами РФЭС и прямого взвешивания.

Чурилов Г.Н., Внукова Н.Г., Томашевич Е.В., Дудник А.И., Глущенко Г.А., Дубинина И.А., Гуляева У.Е., Мельникова Е.И. Эндоэдральные металлофуллерены с иттрием: синтез и выделение //
ФТТ. – 2017. - Т.59. - Вып.8, - С. 1638-1641.

Разработана методика высокоэффективного производства фуллеренов и эндоэдральных металлофуллеренов методом управляемого плазмо-химического синтеза.
Установлен механизм влияния давления гелия в камере на содержание различных компонент фуллереновой смеси в углеродном конденсате при синтезе в плазме ВЧ дугового разряда.