Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

SYNTHESIS OF SILVER AND NICKEL NANOCOMPOSITES BY ELECTRICAL SPARK DISPERSION

Zhasnakunov Zh.K. 1 Satyvaldiev A.S. 1
1 Kyrgyz State University named after I. Arabaev
1676 KB
Nanocomposites, consisting of nanodispersion particles, are formed in electrical spark dispersion of silver and nickel regardless of liquid media type. Phase composition, particle size and the regions of coherent scattering of nanocomposites synthesized in different media were studied and evaluated. Analysis of regions of coherent scattering and particles histogram have shown that particle size of silver and nickel nanoparticles obtained in ethanol and hexane are bigger by 10–20 nm than nanoparticles obtained in water. This is because of the main role in stabilization of nanoparticles is played by interaction between freshly-formed metallic and surrounding medium, which lead to formation of stable nanoparticles with carbon shells, which in turn makes particle size bigger. Calculations show that lattice parameters of silver and nickel correspond with that of the bulk metals. From this, we can conclude that during the joint electrical spark dispersion of silver and nickel, there is no solid solution or intermetallic formed between these metals.
electrical spark dispersion
nanoparticles
Ag-Ni systems
sizes particles
crystalline structure

Получение наноразмерных бинарных металлических систем и исследование их физико-химических свойств является актуальной задачей современного материаловедения, т.к. благодаря совокупности уникальных каталитических, магнитных и биохимических характеристик бинарные металлические наносистемы превосходят индивидуальные порошки металлов [1–3]. Актуальной проблемой в данной области является поиск технологически более простого, дешевого и экологически чистого способа получения бинарных металлических наносистем [4, 5]. В этом плане определенный практический интерес представляет метод электрической эрозии токопроводящих материалов в жидкой среде, который отличается простотой аппаратурного оформления и высокой дисперсностью получаемых продуктов [6]. Среди преимуществ этого метода следует отметить возможность создания композитных структур при участии атомов, образующихся в результате разложения молекул жидкости, в которой производится разряд.

Электрический искровой разряд при низком межэлектродном напряжении является разновидностью электрической дуги атмосферного давления, особенностью которой является нестационарность и короткое время существования. Проводимость межэлектродного промежутка обусловлена наличием высокотемпературного ионизированного газа и потоком электронов, испускаемых в результате термоэлектронной и термоавтоэлектронной эмиссии [7].

Для синтеза металлокомпозитов, содержащих серебро и никель, электроискровому диспергированию подвергали электродную пару, изготовленную из серебра и никеля. Электроды представляли собой стержни с размерами 5x0,5x0,5 см. В качестве среды использовали гексан, этиловый спирт и дистиллированную воду. Емкость конденсатора составляет 2 мкф, что соответствует энергии разряда примерно равной 0,05 Дж, т.е. процесс проводился при мягком режиме.

Продукты, полученные при совместном диспергировании серебра и никеля, представляют собой твердую фазу, которая отделяется от жидкой фазы декантацией, промывается этиловым спиртом и высушивается до постоянного веса при 70–80 °С.

Фазовый состав полученных продуктов определен методом рентгенофазового анализа, и их дифрактограммы снимались на дифрактометре RINT-2500 HV на медном отфильтрованном излучении. Для определения дисперсности и морфологию синтезированных порошков использован метод электронной микроскопии, а их микрофотографии сняты на эмиссионном сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JOEL JSM-7600F.

Дифрактограммы порошков полученных при совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля в воде, этаноле и гексане приведены на рис. 1, а результаты расчета дифрактограмм приведены в табл. 1.

gan1.wmf

Рис. 1. Дифрактограммы продуктов совместного электроискрового диспергирования серебра и никеля в воде (1), спирте (2) и гексане (3)

Результаты расчета дифрактограммы продукта полученного в воде показывают, что данный продукт состоит из трех фаз: металлических серебра, никеля и гидроксида никеля (рис. 1, табл. 1).

При совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля в спирте и гексане образуются продукты, состоящие из двух фаз, которые представляют собой металлические серебро и никель (рис. 2–3 и табл. 1).

Необходимо отметить, что серебро и никель имеют гранецентрированную кубическую решетку типа NaCl. Расчеты параметра решетки металлов показывают, что значение параметра кристаллической решетки металлов соответствует (табл. 2). Отсюда можно предположить, что при совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля не происходит образование твердого раствора или интерметаллида между этими металлами.

Таблица 1

Результаты расчета дифрактограммы продуктов совместного электроискрового диспергирования серебра и никеля

Эксперимент. данные

Фазовый состав

I

d, A °

Ag

Ni

Ni(OH)2

hkl

a, нм

hkl

a, нм

hkl

d, нм

Вода

1

12

2,70

       

200

2,7

2

71

2,363

111

0,409

       

3

12

2,076

   

111

0,359

   

4

100

2,038

200

0,407

       

5

7

1,781

   

200

0,356

   

6

10

1,564

       

110

1,564

7

5

1,498

       

112

1,498

8

11

1,449

220

0,410

       

9

22

1,248

   

220

0,353

   

10

17

1,234

311

0,409

       

Спирт

1

100

2,361

111

0,409

       

2

61

2,075

   

111

0,359

   

3

57

2,050

200

0,410

       

4

28

1,784

   

200

0,357

   

5

31

1,446

220

0,409

       

6

20

1,261

   

220

0,357

   

7

34

1,234

311

0,409

       

Гексан

1

100

2,359

111

0,409

       

2

45

2,038

   

111

0,353

   

3

55

2,045

200

0,410

       

4

17

1,798

   

200

0,360

   

5

50

1,449

220

0,409

       

6

24

1,240

   

220

0,351

   

7

52

1,234

311

0,409

       

Из литературы [8] известно, что диаграмма состояния Ag-Ni характеризуется обширной областью несмешиваемости компонентов в жидком состоянии и является монотектической системой. Максимальная растворимость Ni в Ag соответствует 0,1 % (ат.), а растворимость Ag в Ni составляет ~1 % (ат.) и уменьшается с понижением температуры.

Для оценки размеров кристаллитов продуктов совместного электроискрового диспергирования серебра и никеля были определены размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) частиц по уширению рефлексов на дифрактограммах по формуле Шеррера – Селякова [9].

Результаты расчета размеров ОКР частиц порошков системы Ag-Ni показывают, что частицы металлов, независимо от природы жидкой среды, являются нанодисперсными (табл. 2) Значение средних размеров частиц серебра и никеля зависит от природы жидкой среды. Наиболее низкие значения средних размеров ОКР имеют частицы металлов, полученные в воде и относительно более высокие значения размеров имеют частицы металлов, полученные в гексане.

Таблица 2

Параметр решетки и средние размеры ОКР (d) серебра и никеля, находящихся в составе продуктов электроискрового диспергирования

Среда

Металлы

Параметры решетки, нм

ОКР, нм

1

Вода

Ag

0,409

30–40

Ni

0,356

30–35

2

Этанол

Ag

0,409

30–50

Ni

0,358

30–70

3

Гексан

Ag

0,409

40–60

Ni

0,357

40–50

Для определения размеров частиц нанопорошков системы Ag-Ni из анализа их микрофотографий (рис. 2–4) использована компьютерная программа ImageJ и составлены гистограммы соответствующих нанопорошков. Частицы нанопорошка, полученные в воде, имеют размеры в среднем 60 нм и более узкое распределение частиц по размерам по сравнению с частицами, полученными в среде этанола. Это согласуется с результатами расчета размера ОКР.

gan2a.tif gan2b.wmf

a б

Рис. 2. Микрофотография (a) и гистограмма (б) частиц нанопорошков системы Ag-Ni, полученных в воде

gan3a.tif gan3b.wmf

a б

Рис. 3. Микрофотография (a) и гистограмма (б) частиц нанопорошков системы Ag-Ni, полученных в этаноле

gan4a.tif gan4b.wmf

a б

Рис. 4. Микрофотография (a) и гистограмма (б) частиц нанопорошков системы Ag-Ni, полученных в гексане

Продукт системы Ag-Ni, полученный в среде этанола, сформирован из сферических частиц. Анализ гистограммы частиц (рис. 3, б) по размерам показывает преобладание частиц с размерами 40, 50, и 60 нм. Кроме этого в образце присутствуют частицы с размерами 30, 80, 90, и 100 нм.

Частицы нанопорошка, синтезированного в среде гексана, имеют форму близкую к сферической, а их размеры составляют в среднем 50–60 нм.

Можно заметить, что размеры наночастиц серебра и никеля полученные в средах этанола и гексана больше на 10–20 нм, чем наночастицы, полученные в среде воды (табл. 2).

Мы предполагаем, что это связано с тем, что, основную роль в стабилизации наночастиц играют взаимодействия свежеобразованных металлических частиц со средой, которое приводит в гексане и спирте к формированию стабильных наночастиц с углеродной оболочкой, что увеличивает размеры наночастиц.

Возникновение подобных капсул обусловлено каталитическими свойствами наночастиц никеля: взаимодействуя с аморфным углеродом при высоких температурах, наночастицы никеля формируют вокруг себя оболочки [10].

Таким образом, методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии установлено, что при совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля, независимо от природы жидкой среды, происходит образование композита, состоящего из нанодисперсных частиц серебра и никеля.