ПЛАЗМЕННО-РАСТВОРНЫЙ СИНТЕЗ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Аннотация
В работе представлены результаты по синтезу никельсодержащих частиц из растворов нитрата никеля под действием тлеющего разряда постоянного тока атмосферного давления в воздухе. Воздействие разряда на раствор приводит к образованию коллоидной взвеси в анодной части ячейки с дальнейшим образованием агломератов и выпадением в осадок на дно ячейки. Состав и структура поверхности получаемых порошков изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии, анализа Брунауэра–Эммета–Теллера, рентгеноструктурного анализа, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и термогравиметрического анализа. По результатам динамического рассеяния света частицы в растворе имеют два характерных размера порядка 73,5 нм и 1,2 мкм. Изображения, полученные на сканирующем электронном микроскопе, показали, получаемые порошки имеют хорошо развитую зернистую структуру. Рентгенофазовый анализ полученных образцов показал наличие ярко выраженных рефлексов, которые свидетельствуют о кристалличности структуры синтезированного порошка. Расшифровка показала, что это гидроксид никеля β-типа. Элементарный состав поверхности, полученный с помощью рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии, показал наличие азота в образце. Следовательно, порошки имеют сложный состав и представляют собой смесь гидроксида и гидроксонитрата с соотношением 0,8 Ni(OH)2 : 0,2 Ni(OH)NO3. Термогравиметрический анализ подтверждает данные, полученные с помощью рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии. Высокотемпературная обработка полученных порошков приводит к образованию оксида никеля β-типа. Величину удельной поверхности (Sуд) рассчитывали методом Брунауэра–Эммета–Теллера по адсорбционной ветви в интервале относительных давлений 0,05–0,20, общий объем пор (Vп) и распределение пор по размерам – по десорбционной ветви в интервале 0,40–0,99.
Для цитирования:
Смирнова К.В., Извекова А.А., Шутов Д.А., Иванов А.Н., Манукян А.С., Рыбкин В.В. Плазменно-растворный синтез никельсодержащих порошков под действием тлеющего разряда постоянного тока. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 12. С. 112-118. DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6743.
Литература
He J., Lindström H., Hagfeldt A., Lindquist S.E. Dyesensitized nanostructured p-type nickel oxide film as a photocathode for a solar cell. J. Phys. Chem. B. 1999. V. 103. N 42. P. 8940-8943. DOI: 10.1021/jp991681r.
Hotovy I., Huran J., Spiess L. Preparation of nickel oxide thin films for gas sensors applications. Sens. Actuators B Chem. 1999. V. 57. N 1-3. P. 147-152. DOI: 10.1016/S0042-207X(00)00182-2.
Tao D., Wei F. New procedure towards size-homogeneous and well-dispersed nickel oxide nanoparticles of 30 nm. Mater. Lett. 2004. V. 58. P. 3226-3228. DOI: 10.1016/j.matlet.2004.06.015.
Shibli S.M.A., Beenakumari K.S., Suma N.D. Nano nickel oxide/nickel incorporated nickel composite coating for sensing and estimation of acetylcholine. Biosens. Bioelectron. 2006. V. 22. N 5. P. 633-638. DOI: 10.1016/j.bios.2006.01.020.
Mu Y., Jia D., He Y., Miao Y., Wu H.-L. Nano nickel oxide modified non- enzymatic glucose sensors with enhanced sensitivity through an electrochemical process strategy at high potential. Biosens. Bioelectron. 2011. V. 26. N 6. P. 2948-2952. DOI: 10.1016/j.bios.2010.11.042.
Jiao Z., Wu M., Qin Z., Xu H. The electrochromic characte-istics of sol–gel- prepared NiO thin film. Nanotechnology. 2003. V. 14. N 4. P. 458-461. DOI: 10.1088/0957-4484/14/4/310.
Verma C., Ebenso E.E., Quraishi M.A. Transition metal nanoparticles in ionic liquids: Synthesis and stabilization. J. Mol. Liq. 2019. V. 276. P. 826–849. DOI: 10.1016/j.molliq.2018.12.063.
Mai Y.J., Shi S.J., Zhang D., Lu Y., Gu C.D., Tu J.P. NiO–graphene hybrid as an anode material for lithium ion batteries. J. Power Sources. 2012. V. 204. P. 155-161. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.12.038.
Sun X., Wang G., Hwang J.Y., Lian J. Porous nickel oxide nano-sheets for high performance pseudocapacitance materials. J. Mater. Chem. 2011. V. 21. N 41. P. 16581-16588. DOI: 10.1039/C1JM12734A.
Ichiyanagi Y., Wakabayashi N., Yamazaki J., Yamada S., Kimishima Y., Komatsu E., Tajima H. Magnetic prop-erties of NiO nanoparticles. Phys. B: Condens. Matter. 2003. V. 329. P. 862-863. DOI: 10.1016/S0921-4526(02)02578-4.
Kalaie M.R., A.A. Youzbashi, M.A. Meshkot, Hosseini-Nasab F. Preparation and characterization of superparamagnetic nickel oxide particles by chemical route. Appl. Nanosci. 2016. V. 6. N 6. P. 789-795. DOI: 10.1007/s13204-015-0498-3.
Carnes C.L., Klabunde K.J. The catalytic methanol synthesis over nanoparticle metal oxide catalysts. J. Mol. Catal A Chem. 2003. V. 194. N 1-2. P. 227-236. DOI: 10.1016/S1381-1169(02)00525-3.
Kirumakki S.R., Shpeizer B.G., Sagar G.V., Chary K.V.R., Clearfield A. Hydrogenation of naphthalene over NiO/SiO2-Al2O3 catalysts: structure-activity correlation. J. Catal. 2006. V. 242. N 2. P. 319-331. DOI: 10.1016/j.jcat.2006.06.014.
Nitta Y., Sekine F., Sasaki J., Imanaka T., Teranishi S. Conversion dependence of enantioselective hydrogenation of methyl acetoacetate with modified Ni-SiO2 catalyst.
J. Catal. 1983. V. 79. N 1. P. 211–214. DOI: 10.1016/0021-9517(83)90305-6.
Fan Q., Liu Y., Zheng Y., Yan W. Preparation of Ni/SiO2 catalyst in ionic liquids for hydrogenation. Front. Chem. Sci. Eng. 2008. V. 2. N 1. P. 63-68. DOI: 10.1007/s11705-008-0013-4.
Matsumura Y., Nakamori T. Steam reforming of methane over nickel catalysts at low reaction temperature. Appl. Catal. A: Gen. 2004. V. 258. N 1. P. 107-114. DOI: 10.1016/j.apcata.2003.08.009.
Mahmoud A.M., Ibrahim F.A., Shaban S.A. Adsorption of heavy metal ion from aqueous solution by nickel oxide nano catalyst prepared by different methods. Egypt. J. Pet. 2015. V. 24. N 1. P. 27-35. DOI: 10.1016/j.ejpe.2015.02.003.
Fominykh K., Feckl J.M., Sicklinger J., Döblinger M., Böcklein S., Ziegler J., Peter L., Rathousky J., Scheidt E.-W., Bein T., Fattakhova-Rohlfing D. Ultrasmall Dispersi-ble Crystalline Nickel Oxide Nanoparticles as High-Performance Catalysts for Electrochemical Water Splitting. Adv. Funct. Mater. 2014. V. 24. N 21. P. 3123-3129. DOI: 10.1002/adfm.201303600.
Nail B.A., Fields J.M., Zhao J., Wang J., Greaney M.J., Brutchey R.L., Osterloh F.E. Nickel Oxide Particles Cata-lyze Photochemical Hydrogen Evolution from Water-Nanoscaling Promotes P-Type Character and Minority Carrier Extraction. ACS Nano. 2015. V. 9. N 5. P. 5135-5142. DOI: 10.1021/acsnano.5b00435.
Liu K.C., Anderson M.A. Porous Nickel Oxide/Nickel Films for Electrochemical Capacitors. J. Electrochem. Soc. 1996. V. 143. P. 124. DOI: 10.1149/1.1836396.
Wang Y.D., Ma C.L., Sun X.D., Li H.D. Preparation of nanocrystalline metal oxide powders with the surfactant-mediated method. Inorg. Chem. Commun. 2002. V. 5. P. 751. DOI: 10.1016/S1387-7003(02)00546-4.
Xiang L., Deng X.Y., Jin Y. Experimental study on synthe-sis of NiO nano-particles. Scripta Mater. 2002. V. 47. P. 219. DOI: 10.1016/S1359-6462(02)00108-2.
Deki S., Yanagimito H., Hiraoka S. NH2-Terminated Poly(ethylene oxide) Containing Nanosized NiO Particles: Synthesis, Characterization, and Structural Considerations. Chem. Mater. 2003. V. 15. P. 4916. DOI: 10.1021/cm021754a.
Liu S.F., Wu C.Y., Han X.Z. Preparation of nanoscale nio powders by polymer-network gel process. Chin. J. Inorg. Chem. 2003. V. 19. P. 624.
Saito G., Akiyama T. Nanomaterial Synthesis Using Plasma Generation in Liquid. J. Nanomater. 2015. Art. ID 123696. DOI: 10.1155/2015/123696.
Bruggeman P.J., Frontiera R.R., Kortshagen U.R., Kushner M.J., Linic S., Schatz G.C., Andaraarachchi H., Exarhos S., Jones L.O., Mueller C.M., Rich C.C., Xu C., Yue Y., Zhang Y. Plasma-driven solution electrolysis. J. Appl. Phys. 2021. V. 129. P. 200902. DOI: 10.1063/5.0044261.
Shutov D., Rybkin V., Ivanov A., Smirnova K. Synthesis of zinc oxide powders in plasma–solution systems. High Energy Chem. 2017. V. 51. N 1. P. 65-69. DOI: 10.1134/S0018143917010118.
Shutov D.A., Smirnova K.V., Gromov M.V., Rybkin V.V., Ivanov A.N. Synthesis of CdO Ultradisperse Powders Using Atmospheric Pressure Glow Discharge in Contact With Solution and the Investigation of Intermediate Products Plasma Chem. Plasma Process. 2018. V. 38. N 1. P. 107-121. DOI: 10.1007/s11090-017-9856-0.
Shutov D.A., Smirnova K.V., Ivanov A.N., Rybkin V.V. Factors Governing the Formation of Oxygen-Containing Copper Powders in a Plasma-Solution System. Plasma Chem. Plasma Process. 2021. P. 1-12. DOI: 10.1007/s11090-021-10208-0.
Smirnova K.V., Shutov D.A., Ivanov A.N., Manukyan A.S., Rybkin V.V. Plasma-solution synthesis of iron (III) oxide. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 7. P. 83-88. DOI: 10.6060/ivkkt.20216407.6409.
Shutov D.A., Ivanov A.N., Rakovskaya A.V., Smirnova, K. V. Manukyan A.S., Rybkin V.V. Synthesis of oxygen-containing iron powders and water purification from iron ions by glow discharge of atmospheric pressure in contact with the solution. J. Phys. D. Appl. Phys. 2020. V. 53(44). P. 445202. DOI: 10.1088/1361-6463/aba4d7.
Shutov D.A., Sungurova A.V., Smirnova K.V., Manuky-an A.S., Rybkin V.V. Oxidative-reducing processes with participation of manganese ions initiated by electric discharge in aqeous solution. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 28-34. DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5802.
Qu Y., Zhou W., Miao X., Li Y., Jiang L., Pan K., Tian G., Ren Z., Wang G., Fu H. A New Layered Photocathode with Porous NiO Nanosheets: An Effective Candidate for p-Type Dye-Sensitized Solar Cells. Chem. Asian J. 2013. V. 8. N 12. P. 3085 – 3090. DOI: 10.1002/asia.201300707.
Hall D.S., Lockwood D.J., Poirier S., Bock C., MacDougall B.R. Raman and infrared spectroscopy of α and β phases of thin nickel hydroxide films electrochemically formed on nickel. J. Phys. Chem. A. 2012. V. 116. N 25. P. 6771-6784. DOI: 10.1021/jp303546r.
Fu G., Hu Z., Xie L., Jin X., Xie Y., Wang Y., Zhang Z., Yang Y., Wu H. Electrodeposition of nickel hydroxide films on nickel foil and its electrochemical performances for supercapacitor. Int. J. Electrochem. Sci. 2009. V. 4. P. 1052-1062.
Cullity B.D., Stock S.R. Elements of X-Ray Diffraction. New Jersey: Prentice Hall. 2001. 664 p.
Leineweber A., Jacobs H., Hull S. Ordering of Nitrogen in Nickel Nitride Ni3N Determined by Neutron Diffraction. Inorg. Chem. 2001. V. 40. P. 5818-5822. DOI: 10.1021/ic0104860.
