Металл-углеродные магнитные нанокомпозиты на основе ИК-пиролизованного полиакрилонитрила

На правах рукописиБАГДАСАРОВА Карина АльбертовнаМЕТАЛЛ-УГЛЕРОДНЫЕ МАГНИТНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НАОСНОВЕ ИК-ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛАСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена в лаборатории химии полисопряженных систем Учрежденияроссийской академии наук Ордена трудового красного знамени Институте нефтехимическогосинтеза им. А.В. Топчиева РАН и на кафедре магнетизма физического факультета Московскогогосударственного университета им.

М.В. Ломоносова.Научный руководительдоктор химических наук, профессорКарпачева Галина ПетровнаОфициальные оппонентыдоктор физико-математических наук,главный научный сотрудникСилонов Валентин Михайловичдоктор физико-математических наукКуликов Александр ВасильевичВедущая организацияУчреждение российскойакадемии наук Институт физической химиии электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАНЗащита состоится « 5 » ноября 2008 года в 16.30 часов на заседании диссертационного советаД 501.002.01 в Московском государственном университете им.

М.В. Ломоносова по адресу119991 ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, физический факультет, аудитория ______________СдиссертациейможноМГУ им. М.В. ЛомоносоваознакомитьсявбиблиотекефизическогофакультетаАвтореферат разослан « 04 » октября 2008 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наукЛаптинская Т.В.2Общая характеристика работыАктуальность темыМеталл-углеродныемагнитныематериалыпредставляютбольшойнаучныйипрактический интерес.

Возможность управления структурой композитов позволяет получатьматериалы с заданными свойствами, которые могут быть использованы в системах записи ихранения информации, в качестве активных элементов электронных устройств, магнитныхсенсоров,длясозданияновыхпостоянныхмагнитов,какактивныекомпонентыферромагнитных жидкостей, биомедицинские материалы и др.Формирование вокруг магнитных наночастиц углеродной оболочки с одной стороныобеспечивает их высокую термоокислительную стабильность, а с другой стороны способствуетстабилизации наночастиц металлов из-за снижения беспорядочной переориентации магнитныхмоментов при термических флуктуациях. Кроме того, наличие такой оболочки предотвращаетагрегирование наночастиц.

Важной фундаментальной задачей, решение которой открываетвозможности управления структурой нанокомпозитов, является исследование зависимостиразмеровметаллическихчастиц,структурныххарактеристикимагнитныхсвойствметалл-углеродных нанокомпозитов от условий их получения. Кроме того, важной научнойзадачей представляется исследование механизма зарождения и роста углеродных нанообъектовв структуре металл-углеродных нанокомпозитов, выявление зависимости их морфологии отприроды металла, формы и размера металлических наночастиц.Несмотря на то, что в последнее десятилетие интенсивно ведутся работы по получениюнаноструктурированных металл-углеродных магнитных композитов, практически отсутствуютсистематические исследования, позволяющие сделать заключение о механизме формированиятаких материалов.

Существующие методы получения металл-углеродных нанокомпозитовтребуют сложного аппаратурного оформления и, как следствие, являются дорогостоящими.Учитывая сказанное, создание простого и эффективного метода получения металл-углеродныхмагнитных нанокомпозитов в условиях ИК-пиролиза полиакрилонитрила (ПАН) в присутствииметаллосодержащих соединений, исследование их структуры и морфологии на разных этапахИК-пиролиза и изучение магнитных характеристик полученных наноматериалов являетсяактуальной задачей.Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работИНХС РАН (Госрегистрация № 01.20.03 09103 и № 0120.0 604195) и при финансовойподдержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 04-03-32582а и 07-0300416а).3Цель работы1) Разработка метода получения металл-углеродных нанокомпозитов в условияхИК-пиролиза прекурсоров на основе ПАН и соединений Fe, Co и Gd; 2) исследованиезависимости структурных характеристик углеродной и металлической фаз от условийполучения нанокомпозитов; 3) исследование магнитных свойств нанокомпозитов в зависимостиотинтенсивностиИК-пиролиза,содержанияметаллаиструктурныххарактеристикметаллической фазы.Научная новизна• Разработан новый метод получения металл-углеродных нанокомпозитов в условияхИК-пиролиза прекурсора на основе ПАН и Fe(С5Н5)2, Со(С5Н7О2)2, GdCl3, Gd(С5Н7О2)3.• Установлено, что с увеличением интенсивности ИК-пиролиза происходит структурированиекак углеродной, так и металлосодержащих фаз нанокомпозитов.• Впервые показано, что в присутствии наночастиц Со с увеличением интенсивностиИК-пиролиза графитоподобная фаза нанокомпозитов преобразуется в фазу с параметрамикристаллического графита.• Впервые в результате ИК-пиролиза ПАН и Fe(С5Н5)2, Со(С5Н7О2)2, GdCl3, Gd(С5Н7О2)3 вструктуре нанокомпозитов получены углеродные нанообъекты – октаэдры, сферы, трубки и др.Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что полученныев работе научные результаты могут быть использованы для получения магнитныхнанопорошков, контрастных материалов для магниторезонансной томографии, созданияактивных элементов электронных устройств.Основные положения, выносимые на защиту1.

Формирование металл-углеродных нанокомпозитов осуществляется в условияхИК-пиролиза прекурсора на основе ПАН и Fe(С5Н5)2, Со(С5Н7О2)2, Gd(С5Н7О2)3 или GdCl3. Приэтом одновременно и взаимозависимо происходит структурирование ПАН с образованиемупорядоченных углеродных структур и восстановление металлов в присутствии водорода,выделяющегося при деструкции полимерных цепей ПАН.2. С ростом интенсивности ИК-пиролиза происходит структурирование углеродной иметаллосодержащих фаз нанокомпозитов. Имеет место увеличение областей когерентногорассеяния кристаллитов и агрегирование металлических наночастиц.3.

При высоких интенсивностях ИК-пиролиза углеродные фазы нанокомпозитов,включающих частицы Со, имеют параметры кристаллического графита (d002 = 3.38 Å). Периодырешеток ГЦК-Со и межплоскостные расстояния фазы GdN в нанокомпозитах меньше величин,характерных для крупнокристаллических образцов.44. Магнитные характеристики нанокомпозитов зависят от природы металлосодержащихсоединений и интенсивности ИК-пиролиза. Значительный вклад в магнитное поведениенанокомпозитов вносят суперпарамагнитные частицы.5. При ИК-пиролизе ПАН в присутствии соединений Fe, Со, Gd в углеродной фазенанокомпозитов формируются углеродные нанообъекты различной морфологии (нанотрубки,наносферы, нановоронки, нанооктаэдры и др.).

Образование углеродных нанообъектов являетсярезультатом пиролиза углеводородов, выделяющихся при структурировании ПАН, прикаталитическом действии имеющихся в системе металлических наночастиц.Личный вклад автора заключается в выборе направления исследования, критическоманализе литературных данных, проведении экспериментов по получению образцов, участии врасчёте структурных характеристик, анализе результатов исследования морфологии, структурыи магнитных свойств нанокомпозитов, написании статей, подготовке докладов, формулировкевыводов и написании диссертации. Все экспериментальные результаты, за исключениемспециально оговоренных в диссертации, получены лично автором.

Интерпретация научныхрезультатов и их обобщение проводилось непосредственно диссертантом.Апробация работыОсновные материалы диссертации были доложены на Международной школе-семинаредля молодых ученых «Наноматериалы в химии и биологии», Украина, Киев, 18-21 мая, 2004 г;Международной конференции «Baltic Polymer Symposium 2004», Kaunas, 24-26 November, 2004;II Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционныематериалы», Нальчик, 12-14 июля 2005 г; IX Международной конференции «Водородноематериаловедение и химия углеродных наноматериалов»,Севастополь, Украина, 05-11сентября, 2005 г; Третьей всероссийской конференции молодых ученых (в рамках Российскогонаучного форума с международным участием Демидовские чтения) «Фундаментальныепроблемы новых технологий в 3-м тысячелетии», Томск, 3-6 марта, 2006 г; IV Российскояпонском семинаре «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микрои наноэлектроники», Астрахань, 22-23 мая 2006 г; ХХ международной юбилейной школесеминаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва, физфак МГУ, 12-16 июня2006 г; Пятой международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки,материаловедение, технология», Москва, МГУ, 18-20 октября, 2006 г; Третьей Международнойконференции по физике кристаллов «Кристаллофизика ХХI века», Москва, Черноголовка,МИСиС, 20-26 ноября 2006 г; IV Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах21-му веку» Москва, МГУ, 29 января–2 февраля 2007 г; Второй Всероссийской конференции понаноматериалам «НАНО 2007» Новосибирск, 13-16 марта, 2007 г; Х Международнойконференции «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов», Судак5Крым-Украина, 23-28 сентября, 2007 г; «XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладнойхимии», Москва, 23-29 сентября 2007; Международной конференции “Functional Materials”ICFM-2007, Ukraine, Crimea, Partenit October 1 – 6, 2007, Международной конференции“International conference on fine particle magnetism ICFPM–2007” Rome, October.

9-12, 2007,Международной молодежной конференции «Junior Euromat 2008», Lausanne, Switzerland, July14-18, 2008, Международной конференции «Material science and engineering 2008», Nuremberg,Germany, September, 1-5, 2008.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 5 журнальных статей, из которых 2 в рецензируемыхнаучных журналах, рекомендованных ВАК РФ по физическим наукам, 8 статей в сборникахматериалов и докладов конференций и 10 тезисов докладов на Всероссийских иМеждународных конференциях.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, 3 глав, выводов, списка используемойлитературы, насчитывающего ____ наименований.

Материал диссертации изложен на ____страницах, содержит ____ рисунков и ____ таблиц.Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, определенанаучная новизна и возможные области применения.Глава 1. Обзор литературыВ первой главе проанализированы и обобщены имеющиеся в литературе данные пометодам получения металл-углеродных магнитных нанокомпозитов, структуре углероднойматрицы, морфологии углеродных нанообъектов и механизмам их образования, строениюметаллических наночастиц, особенностям их однодоменного состояния, магнитным свойствамнаночастиц металлов в углеродной матрице.Глава 2. Экспериментальная частьВо второй главе подробно описана методика получения нанокомпозитов на основе ПАНи Fe(С5Н5)2, Со(С5Н7О2)2, GdCl3, Gd(С5Н7О2)3, включающая синтез ПАН, приготовлениепрекурсоров, условия проведения ИК-пиролиза.