ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ С БИМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ

Лебедева Марина Владимировна

канд. хим. наук, ассистент кафедры физической химии

Московского технологического университета,

РФ, г. Москва

E-mail: lebedevamv@mitht.ru

Яштулов Николай Андреевич

д-р хим. наук, проф. кафедры физической химии,

РФ, г. Москва

FORMATION TECHNOLOGY OF POLYMER NANOCOMPOSITES WITH BIMETALLIC PLATINUM METAL NANOPARTICLES

Marina Lebedeva

candidate of Science, assistant of physical chemistry department

Moscow technological University,

Russia, Moscow

Nicolay Yashtulov

doctor of Sciences, Professor of physical chemistry department,

Russia, Moscow

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-38-00862-мол_а).

АННОТАЦИЯ

Осуществлено формирование металлополимерных нанокомпозитов с биметаллическими наночастицами платиновых металлов. Проведено исследование размеров наночастиц методами электронной микроскопии.

ABSTRACT

It was implemented the formation of metal-polymer nanocomposites with bimetallic platinum metal nanoparticles. The study of nanoparticles size by electron microscopy was carried out.

Ключевые слова: нанотехнология, наноматериалы, биметаллические полимерные нанокомпозиты, обратные мицеллы, электронная микроскопия.

Keywords: nanotechnology, nanomaterials, bimetallic polymer nanocomposites, reverse micelles, electron microscopy.

К настоящему времени наблюдается стремительный рост интереса исследователей к созданию эффективных каталитических систем для конструирования источников энергии с повышенными характеристиками. Основным носителем для формирования нанокатализаторов считаются углеродные материалы, полимерные и пористые мембраны. Внедрение неорганических наночастиц платиновых металлов в матрицы полимеров занимает значительное место в современных исследованиях в связи с тем, что образующиеся гибридные или композитные материалы обладают не только улучшенными, но и принципиально новыми свойствами [1–6]. Кроме того, включение частиц в поры полимерной матрицы позволяет уменьшить их размер до нанометрового уровня и стабилизировать их, что обуславливает проявление как у этих частиц, так и у гибридных материалов в целом различных размерных эффектов [1; 3; 4; 6].

Цель работы состояла в формировании и в исследовании физико-химических параметров нанокомпозитных материалов с биметаллическими наночастицами платиновых металлов на полимерных матрицах-подложках.

Биметаллические наночастицы Pt-Pd и Pt-Ru были получены при смешении двух водно-органических растворов обратных мицелл с солями платиновых металлов и восстановителем – тетрагидроборатом натрия NaBH₄ [6]. Мольное соотношение металлов составило 1:1. Для формирования обратных мицелл был использован анионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) – 0.2 М раствор бис (2-этилгексил) сульфосукцината натрия, АОТ (99 %, “Sigma Aldrich”, США). Мольное соотношение воды/ПАВ (ω) в растворах обратных мицелл составляло 1.5 и 3. Наночастицы наносили на перфторированную мембрану Нафион-115 (Nafion) путем сорбции из мицеллярного раствора с наночастицами под воздействием ультразвуковой обработки.

На первоначальном этапе работы было проведено исследование размеров, формы и распределения наночастиц в водно-органических растворах обратных мицелл методом атомно-силовой микроскопии методом (АСМ) на сканирующем микроскопе “NTegra Prima” (NT MDT, Россия). Растворы с наночастицами анализировались на стандартной подложке из слюды. В результате было обнаружено, что при формировании биметаллических наночастиц Pt-Ru в водно-органических растворах при ω = 1.5 и соотношении металлов 3:1 образуются, в основном, наночастицы сферической формы. Для наночастиц Pt-Pd характерно образование эллипсовидных наночастиц. Из данных Таблицы 1 можно сделать вывод, что для водно-органических растворов Pt-Ru и Pt-Pd при минимальном значении коэффициента солюбилизации средний размер частиц варьируется от 5 до 8 нм.

Исследования морфологии металлополимерных нанокомпозитов с биметаллическими наночастицами Pt-Pd и Pt-Ru проводились при помощи метода растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе JSM-7401F (“Jео1”, Япония) с анализатором INCA (“Oxford Instruments”, Англия). Формирование нанокомпозитов осуществляли погружением пленки Нафион в кюветы с обратно-мицеллярным раствором наночастиц под действием ультразвуковой обработки.

Основным преимуществом метода формирования металлополимеров из растворов обратных мицелл, полученных в присутствии анионного ПАВ, является то, что можно контролировать количество наночастиц на поверхности и в объеме пор полимерной мембраны. Так как Нафион и АОТ содержат одинаковые функциональные группы SO₃^–, то было сделано предположение, что наночастицы металлов при переходе из обратно-мицеллярного раствора в пленку Нафион также хорошо будут стабилизированы.

По данным РЭМ, основной вклад в формирование нанокомпозитов Pt-Ru при соотношении металлов 1:1 вносят наночастицы сферической формы с размерами от 4 до 7 нм. Нанокомпозиты Pt-Pd характеризуются образованием эллипсовидных наночастиц с размерами от 5 до 7 нм в зависимости от коэффициента солюбилизации (см. Таблица 1).

Таблица 1.

Размеры наночастиц Pt-Pd и Pt-Ru по данным АСМ и РЭМ

Отмечается [2; 3], что уменьшение размера частиц может приводить к агломерации в процессе эксплуатации электрокатализатора. Важными характеристиками структуры платиносодержащих нанокомпозитов являются также дисперсии размерного и пространственного распределения наночастиц. Малое значение дисперсии соответствует более однородным и потому более активным материалам. С учетом вышеизложенного, возможность управления структурой нанокомпозита в процессе его самоорганизации имеет важное фундаментальное и прикладное значение.

Таким образом, в работе были исследованы характеристики полимерных нанокомпозитов с биметаллическими наночастицами платиновых металлов, полученных химическим методом восстановления с анионным ПАВ (АОТ). Сформированные новым методом материалы в дальнейшем могут быть использованы в качестве эффективных электродов для источников энергии.

Список литературы:

1. Гутерман А.В., Григорьев В.П., Гутерман В.Е., Пахомова Е.Б., Кабиров Ю.В. Синтез Pt_xNi/C и Pt_xCo/C наноструктурированных катализаторов и их активность в реакции электровосстановления кислорода // Неорганические материалы. – 2009. – Т. 45, № 7. – С. 829–834.
2. Каюмов Р.Р., Сангинов Е.А., Золотухина Е.В., Герасимова Е.В., Букун Н.Г., Укше А.Е., Добровольский Ю.А. «Самоувлажняемые» нанокомпозитные мембраны Nafion/Pt для низкотемпературных твердополимерных топливных элементов // Альтернативная энергетика и экология. – 2013. – Т. 135, № 13. – С. 40–48.
3. Яштулов Н.А. Синтез и электрохимические характеристики полимерных биметаллических нанокатализаторов Pt-Pd / Н.А. Яштулов, М.В. Лебедева, В.Р. Флид // Известия РАН. Серия химическая. – 2015. Т. 64. № 8. – С. 1837–1841.
4. Bonggotgetsakul Y.Y.N. A method for coating a polymer inclusion membrane with palladium nanoparticles / Y.Y.N. Bonggotgetsakul, R.W. Cattrall, S.D. Kolev // Reactive and Functional Polymers. – 2015. Vol. 97. – P. 30–36.
5. Sode A., Ingle N.J.C., McCormick M., Bizzotto D., Gyenge E., Ye S., Knights S., Wilkinson D.P. Controlling the deposition of Pt nanoparticles within the surface region of Nafion // Journal of Membrane Science. 2011. V. 376. № 1-2. P. 162–169.
6. Sun X., Xu H., Zhu Q., Lu L., Zhao H. Synthesis of Nafion®-stabilized Pt nanoparticles to improve the durability of proton exchange membrane fuel cell // Journal of Energy Chemistry. 2015. Vol. 24. № 3. P. 359–365.