Исследование влияния электромагнитного поля и энерго-механической обработки на процесс получения наноразмерных порошков металлического кобальта восстановлением водородом

Нанопорошки (НП) на основе кобальта имеют значительные перспективы использования в различных областях науки, техники, промышленности и в медицине. В данной работе была исследована кинетика процессов получения нанопорошков металлического кобальта водородным восстановлением из оксидного материала в электромагнитном поле и при энерго-механической обработке (ЭМО) в вихревом слое ферромагнитных частиц, вращающихся под действием этого поля. НП оксида кобальта Co₃O₄ получали путем термического разложения синтезированного химическим осаждением гидроксидного соединения Co(OH)₂ из 10 %-ных водных растворов соли нитрата Co(NO₃)₂ и едкого натра NaOH при установленных условиях pH = 9, t = 20 °С. Восстановление образцов НП Co₃O₄ для получения наноразмерных частиц Co проводили на установке модифицированного аппарата вихревого слоя (АВС) модели УАП-3 с встроенными внутри камеры нагревательной печью и проточным реактором. Амплитудное значение индукции поля внутри реактора составляет 0,16 Тл. Выбор экспериментальных температур восстановления образцов выполняли на основе результата термогравиметрического (ТГ) анализа исходного образца гидроксида кобальта. Кинетические параметры процессов водородного восстановления в условиях линейного нагрева и в изотермии рассчитаны с помощью моделей Фримена-Кэрола и Мак Кэвана, соответственно. Обнаружено снижение скорости получения нанопорошков Co в электромагнитном поле (до 14 % при 250 ºС) вследствие затруднения способности адсорбции атомов водорода на поверхности образованных металлических наночастиц. Установлено, что ЭМО в вихревом слое приводит к повышению скорости  процесса в 4-5 раз благодаря эффекта механоактивации материала. С использованием методов термогравиметрии, рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии и измерения удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции азота были изучены свойства исходного материала и полученных продуктов. Показано, что при восстановлении образцов в электромагнитном поле формируются более мелкодисперсных наночастиц Co, чем в случае без поля. ЭМО в вихревом слое приводит к агрегированию восстановленных металлических наночастиц и образованию гранул микронного размера.

1. Thanha N.T.K., Green L.A.W. Functionalisation of nanoparticles for biomedical applications // Nano Today. 2015. Vol. 119. P. 503 - 516.

2. Scherer C., Figueiredo N.A.M. Ferrofluids: properties and applications // Brazilian Journal of Physics. 2005. Vol. 35. No 3A. P. 718 - 727.

3. H. Cuizhu, Q. Song, W. Xinzhen, L. Jiurong, et al. Facile synthesis of hollow porous cobalt spheres and their enhanced electromagnetic properties // Journal of Materials Chemistry. 2012. Vol. 22. P. 22160 - 22166.

4. F. Dumestre, B. Chaudret, C. Amiens, M.C. Fromen, M.J. Casanove, P. Renaud, P. Zurcher Shape control of chermo-dynamically stable cobalt nanorods through organometallic chemistry // Angewandte Chemie. 2002. Vol. 114. P. 4462 - 4465.

5. Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы: учебное пособие. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 365 с.

6. Ashkan Zolriasatein, Ali Shokuhfar. Size effect on the melting temperature depression of Al12Mg17 complex metallic alloy nanoparticles prepared by planetary ball milling // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2015. Vol. 74. P. 101 - 107.

7. Jingwei Xie, Jiang Jiang, Pooya Davoodi, et al. Electrohydrodynamic atomization: A two-decade effort to produce and process micro-/nanoparticulate materials // Chemical Engineering Science. 2015. Vol. 125. P. 32 - 57.

8. Nilesh S.K., Atul K.T., Ashok B.N., et al. Understanding the crystalline phase formation in Fe single bond Ni and Al single bond Ni binary alloy-nanoparticles produced by thermal plasma assisted gas phase condensation method // Materials & Design. 2016. Vol. 112. P. 495 - 504.

9. Оглезнева С.А., Порталов М.Н. Синтез нанопорошков железа и никеля химико-металлургическим методом // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. № 4 (4). С. 1095 - 1097.

10. Fikret Yılmaz, Dong-Jin Lee, Joon-Woo Song, et al. Fabrication of cobalt nano-particles by pulsed wire evaporation method in nitrogen atmosphere // Powder Technology. 2013. Vol. 235. P. 1047 - 1052.

11. Рыжонков Д.И., Арсентьев П.П. и др. Теория металлургических процессов. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1989. – 392 с.

12. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Техника, 1976. – 144 с.

13. Рыжонков Д.И., Костырев С.Б., Горчаков Ю.А. Применение АВС для металлизации никеля и меди // Разработка и внедрение вихревых электромагнитных аппаратов для интенсификации технологических процессов: Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции. (Тамбов, 1989 г.). – Тамбов, 1989. С. 65 - 67.

14. Freeman E.S., Carroll B. The application of thermoanalytical techniques to reaction kinetics: The thermogravimetric evaluation of the kinetics of the decomposition of calcium oxalate monohydrate // The Journal of Physical Chemistry. 1958. Vol. 62. P. 394 - 397.

15. Brown M., Dollimore D., Galwey A. Reactions in the solid state. – Amsterdam: Elsevier scientific publishing company, 1980. – 339 p.

16. McKewan W.M. Kinetics of Iron Oxide Reduction // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1960. Vol. 218. P. 2 - 6.

17. Scherrer P., Gottingen N.G.W. Determination of the size and internal structure of colloidal particles using X-rays // Journal of Mathematical Physics KI. 1918. Vol. 2. P. 96 - 100.

18. Андреев Д.В. Исследование влияния сверхпроводящего состояния ВТСП-оксидов на низкотемпературную адсорбцию простых газов: Диссертация канд. хим. наук. – Новосибирск: IK SO RAN, 2000. – 145 с.

19. Wei-Dong Wu, Gang Liu, Sheng-Xiang Chen, Hua Zhang. Nanoferrofluid addition enhances ammonia/water bubble absorption in an external magnetic field // Energy and Buildings. 2013. Vol. 57. P. 268 - 277.

20. Chernavskii P.A., Zaikovskii V.I., Pankina G.V., Perov N.S., Turakulova A.O. The effect of a magnetic field on the thermal destruction of cobalt formate // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2009. Vol. 83. No 3. С. 499 - 502.