Физико-химические основы прямого управляемого синтеза наночастиц, нанокластеров и летучих гидридов методом индукционной потоковой левитации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-79-10097

НазваниеФизико-химические основы прямого управляемого синтеза наночастиц, нанокластеров и летучих гидридов методом индукционной потоковой левитации

Руководитель Воротынцев Андрей Владимирович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" , Нижегородская обл

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова Наночастицы, нанокластеры, кремний, моносилан, гетерогенный катализ, атомно-силовая микроскопия, индукционная потоковая левитация, ионные жидкости

Код ГРНТИ61.31.55, 31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день одной из самых актуальных научных проблем является получение наноразмерных частиц и покрытий, а также улучшение методов и технологий их создания. Знание механизма функционирования наночастиц и покрытий на их основе позволяет решать самые разнообразные проблемы: совершенствовать уже существующие технологии, повышать эффективность использования солнечной энергии при улучшении фотосенсибилизации солнечных панелей в качестве спектрально-селективного покрытия зеркал и стёкол, улучшать селективность и активность катализаторов и многие другие. Кроме того, применение таких объектов в новых сферах, например, в медицине, позволяет использовать наночастицы для адресной доставки лекарственных препаратов, таргетной терапии и дезактивации ВИЧ-1 с отсутствием цитотоксичности. Таким образом, на этапе бурного развития фундаментальных и прикладных основ получения наноматериалов, важнейшей задачей является создание теоретической и экспериментальной базы новых «зеленых» методов, позволяющих достигать высокой производительности получения наночастиц (около 15 г/ч), а также проводить прямые синтезы различных веществ (гидриды, нитриды, оксиды и пр.) в одну стадию, т.н. «direct synthesis». В последнее десятилетие большой интерес исследователей вызывают нанокластеры, которые представляют собой почти монодисперсные металлические частицы, имеющие диаметр менее 5 нм. Нанокластеры обладают уникальными свойствами, которые связаны с их промежуточным положением между объемной фазой и индивидуальными атомными или молекулярными частицами, поэтому имеют большие перспективы в качестве новых типов высокоактивных и селективных катализаторов. В настоящее время, в связи с развитием нанотехнологий, а также микро- и наноэлектроники в частности, с каждым годом возрастает потребность в высокочистых наночастицах и нанокластерах различного состава и размера, а следовательно, существует очевидная потребность снижения себестоимости и уменьшения затрат на их производство. Кроме того, развитие различных областей науки и техники приводит к увеличению спроса и мощностей производства, что ухудшает экологическую ситуацию при использовании традиционных реагентов для получения наночастиц: этиленгликоля, этанола и других органических растворителей. С этой точки зрения, крайне важно внедрять и развивать относительно новые методы получения, которые могли бы элиминировать существующие проблемы. Для решения поставленных задач в проекте предлагается всестороннее изучение метода индукционной потоковой левитации для получения наночастиц и нанокластеров, где базисным видом сырья, являются проводящие или магнитные материалы. Впервые для создания различных наночастиц и нанокластеров размером менее 5 нм будет применяться метод индукционной потоковой левитации (ИПЛ) в полях высоких частот до 5 МГц. Такая частота дает возможность левитировать исследуемые частицы с размерами от 10 мкм до нескольких мм в виде капли расплава. Размер левитируемых частиц напрямую зависит от частоты переменного магнитного поля, создаваемого индуктором. Основное отличие этого метода от аналогов заключается в применении высоких частот, что позволит создавать большой градиент температур между образцом и реакторным пространством. С уменьшением капли расплава будет увеличиваться градиент температуры, обусловленный снижением теплосъема с капли меньшего размера, и появится возможность формирования нанокластеров с размерами менее 5 нм. Кроме того, одним из ключевых подходов в работе является перевод кремния и германия в состояние индукционной левитации. Для этой цели предлагается реализовать двухступенчатый способ нагрева. На первой ступени образец кремния/германия подвергается предварительному нагреву с помощь СО2 лазера для уравнивания силы Лоренца и сила тяжести за счет уменьшения удельного электрического сопротивления которое является ключевым параметром в режиме левитации, а на второй ступени образец перемещается в реактор ИПЛ для перевода в состояние левитации при температуре плавления, а продувка водородом позволяет получать высокочистые летучие гидриды - моносилан и моногерман. Такой метод будет реализоваться впервые и даст возможность разработки технологии прямого синтеза высокочистого моносилана и моногермана из технического кремния/германия, которая по сравнению с существующими хлорными технологиями "Union Carbide - Process" и "Siemens - Process" является экологически чистой и не требует многостадийности на пути от исходного сырья до целевого продукта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Марков А.Н., Воротынцев А.В., Андронова А.А. Direct Synthesis of Titanium Nanoparticles by Induction Flow Levitation Technique Key Engineering Materials, Vol. 887, pp 178-183 (год публикации - 2021)
10.4028/www.scientific.net/KEM.887.187

2. Воротынцев А.В., Марков А.Н., Пряхина В.И. Obtaining Magnesium Nanoparticles by Induction Levitation in a Gas Flow Materials Science Forum, Vol. 1055, pp 104-109 (год публикации - 2022)

3. Марков А.Н., Воротынцев А.В., Капинос А.А., Петухов А.Н., Пряхина В.И., Казарина О.В., Атласкин А.А., Отвагина К.В., Воротынцев В.М., Воротынцев И.В. Direct synthesis of Al, Mg, Ni, Ti nanoparticles by induction flow levitation technique ACS Sustainable Chemistry & Engineering (год публикации - 2022)

4. Капинос А.А., Грачев П.П., Воротынцев А.В., Марков А.Н. Production of Nickel Nanoparticles by Gas-Phase Method - Induction Flow Levitation Materials Science Forum, Vol. 1055, pp 110-114 (год публикации - 2022)

5. Марков А.Н., Воротынцев А.В., Капинос А.А. Preparation of Zinc Nanoparticles by Gas Condensation in a Contactless Crucible Materials Science Forum, Vol. 1055, pp 99-103 (год публикации - 2022)

6. Воротынцев А.В., Марков А.Н., Капинос А.А., Петухов А.Н., Атласкин А.А., Вилков И.В., Юнин П.А., Воротынцев В.М., Воротынцев И.В. DIRECT SYNTHESIS OF NANOSTRUCTIRAL AND NANOSPHERICAL SILICA USING INDUCTION JET LEVITATION: SYNTHESIS, DESIGN AND CATALYTIC APPLICATION Materials Today Chemistry, Vol. 10, Issue 18 (год публикации - 2022)
10.1021/acssuschemeng.2c00940

7. А.Н. Марков, А.А. Капинос, C.C. Суворов, А.В. Барышева, Г.М. Клейма, В.М. Воротынцев, А.А. Атласкин, П.П. Грачев, И.В. Воротынцев, А.В. Воротынцев Получение наночастиц магния методом индукционной потоковой левитации The Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, Т.11 (год публикации - 2023)

8. Artyom Markov, Alexander Kapinos, Artyom Emelyanov, Grigory Kleiman, Yegor Dokin, Pavel Grachev, Ivan Zanozin, Anton Petukhov, and Andrey Vorotyntsev Obtaining nickel nanoparticles by the gas-phase method - induction flow levitation E3S Web of Conferences, 383, 04089 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202338304089

Публикации