Наноматериалы из горящих растворов

Горение раствора на основе нитрата железа и глицина. Фото автора

Изучая механизмы процесса горения, ученые создают наноматериалы с необычными свойствами, которые могут быть использованы в топливных и солнечных элементах, конденсаторах и аккумуляторах нового поколения, в «вечных» катализаторах.

Наноматериалы – структуры с характерным размером от 1 до 100 нанометров (10-9–10-7 м) – существуют в виде частиц, пористых структур, трубок, волокон, дисперсий (промежуточные системы между растворами и суспензиями), структурированных поверхностей, пленок, а также кристаллов и кластеров. Благодаря своим уникальным функциональным свойствам наноматериалы востребованы в самых различных отраслях: приборостроение и электроника, IT, медицина и фармацевтика, строительство, военно-промышленный комплекс, сельское хозяйство…

Однако большинство методов создания наноматериалов не позволяет получить конечный продукт с требуемыми размерами (например, размер менее 10 нм важен с точки зрения магнитных характеристик) и высокой удельной поверхностью (влияет на каталитическую активность). Для создания многих наноматериалов необходимы специальное сложное оборудование и высокие энергозатраты.

Сейчас ученые активно изучают альтернативный способ синтеза наноматериалов – самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) в растворах, или «горение растворов». В основе процесса – самоподдерживающаяся экзотермическая (то есть с выделением тепла, горение) реакция взаимодействия компонентов на основе систем, содержащих окислитель (нитрат металла) и восстановитель (растворимые в воде линейные и циклические органические амины, кислоты и аминокислоты).

Химическая реакция интенсивно распространяется в растворе. По мере того как она угасает, формируются конечные продукты. В растворах исходные реагенты смешаны на молекулярном уровне, а выделение большого количества газов при взаимодействии реагентов в волне горения облегчает формирование нанопорошков.

Процессы горения и синтеза материалов – уже давно объект пристального внимания ученых. В XIX веке русский физик и химик Николай Бекетов установил, что если смешать оксиды некоторых металлов с алюминием и нагреть полученную смесь в печи, то произойдет химическая реакция, в результате которой выплавляется чистый металл. В 1898 году немецкий инженер-металлург Ганс Гольдшмидт изобрел промышленный способ выплавки металлов из их оксидов с помощью алюминия как восстановителя. В начале XX века его метод стал применяться для сварки железнодорожных рельс, а позднее нашел применение в военной промышленности.

В 1967 году в СССР группа ученых под руководством профессора Александра Мержанова открыла новый класс процессов горения, протекающих без кислорода и оксидов. Благодаря слиянию порошковых элементов ученые научились получать новое соединение. При этом выделялось настолько большое количество тепла (температура достигала 3000±С), что процесс горения сам себя поддерживал. Этот эффект и получил название «самораспространяющийся высокотемпературный синтез в смеси порошков».

С 80-х годов XX века это направление активно развивается во многих странах. В 90-х годах в Индии была открыта новая разновидность процесса СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез в растворах. Изучив работы советских ученых, группа под руководством профессора Кашинатха Патила начала смешивать растворимые компоненты в водном растворе. За основу они взяли нитрат металла, добавили органическое горючее (глицин, сахарозу, лимонную кислоту или мочевину) и запустили реакцию. Ученые исследовали огромное количество продуктов горения, сейчас для получения нанопрошков с однородными частицами они добавляют в исходную смесь нитратов экстракты из листьев тропических растений.

Сегодня научные группы, изучающие СВС в растворах, существуют более чем в 70 странах (США, Китай, страны Южной Америки, арабские страны и т.д.). Но механизм формирования конечных продуктов во фронте горения все еще мало изучен.

В России пальма первенства в исследовании механизмов процесса «горения в растворах» принадлежит ученым из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Научный коллектив под руководством профессора Александра Мукасьяна изучает температурно-временные характеристики процесса горения растворов, влияние соотношения горючее – окислитель, организацию процесса в виде распространяющейся волны, разделение на волновой режим и режим объемного сгорания и другие параметры. В сентябре 2016 года коллектив ученых опубликовал обзор исследований в этой области в журнале Chemical Reviews.

По словам заместителя директора Научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», профессора Александра Рогачева, такой подход позволяет пролить свет на механизмы, лежащие в основе процесса синтеза наноматериалов путем СВС в растворах. За внешне простым и красивым процессом скрываются сложные механизмы, природу которых понять очень трудно, но если это сделать, то ученые смогут получать наноматериалы с новыми удивительными свойствами.

Исследователи уже добились впечатляющих результатов. Поместив смесь из нитрата никеля и глицина в высокопористую среду и запустив реакцию, они получили катализатор, который в процессе работы не деградирует и не загрязняется, поэтому функционирует в десятки раз дольше обычных катализаторов. Ускоритель реакции интенсивно работает уже несколько лет, поэтому ученые даже в шутку называют его «вечным». Метод получения суперстабильного катализатора уже запатентован.

«Горение растворов» открывает возможности для развития современной энергетики. Получаемые нанопористые материалы применяются в новых типах топливных, солнечных элементов, суперконденсаторах и аккумуляторах, а также в термоэлектриках (используются для прямого преобразования тепла в электричество). Они востребованы в водородной энергетике, например для конвертирования углеводорода в метан или получения чистого водорода из этанола, и могут применяться в качестве люминофоров – веществ, способных преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение.

Сегодня исследование процесса СВС в растворах только набирает обороты. Ученые продолжают изучать механизмы, лежащие в основе процесса, и, возможно, скоро они получат материалы с необычными свойствами, которые откроют перед человечеством новые возможности.