Кеуекті материалдар мен арнайы физикалық-химиялық қасиеттері бар материалдар

Катализаторлар, бояулар, кеуекті орталар, соның ішінде фильтрлер, химиялық энергия көздері мен сенсорлар - бұл химиялық және баска да өнеркәсіп салаларындағы наноматериалдардың сипатты қосындылары. Кеуекті наноқұрылымдар газ қоспаларын бөлу үшін қолданылады (мысалы, молекулалық массаларымен ерекшеленетін изотоптар мен басқа да күрделі газдар). Әдеттегі цеолиттердегі кеуектер мөлшері 0,4-1,5 нм интервалында өзгереді және цеолитті түзетін циклді құрылымдардағы оттегі атомдарының санына тәуелді. Мысалы, оттегі саны 10 цеолиттер (кеуек диаметрі 0,63 нм) молекулалық-кинетикалық диаметрлері сәйкесінше 0,51 және 0,69 нм н - гексан мен циклогександы бөлу үшін қолданылуы мүмкін. Көптеген кеуекті наноқұрылымдар беті өздігінше каталитикалық қасиеттерге ие екенін ескеру қажет. Осыған байланысты донорлы акцепторлы әрекеттесу тұрғысынан кеуекті тасымалдағыштарды қышқылды (HZSM-5, HY, HL типтері), нейтралды (силикагель) және негізді (Mg, Al, Ті оксидтері және сілтілік цеолиттер) деп жіктейді. Әртүрлі бөлу үдерістеріндегі жоғары селективтілік каталитикалық құбылыстар (мысалы, ксилол типінің органикалық қосылыстарының изомерленуі кезінде қолданылатын) есебінен артады.

АҚШ-та өңделіп шығарылған цилиндрлі кеуектерінің мөлшері 2-10 нм алюмосиликатты цеолиттер (МСМ-41) мұнай мен мұнай өнімдерін каталитикалық өңдеу кезінде кеңінен қолданылады.

Химиялық реакциялардың жоғары селективтілігіне жету мен оны үдету мақсаты нанонысандар ауқымында жаңа катализаторлар мен зерттеулерді жасауға талпыныс береді. Нанотехнология жетістіктері есебінен алынған катализаторлар перспективтілігі көптеген мысалдармен көрсетілуі мүмкін.

А, С, Е, К дәрумендерін және хош иісті заттарды алу кезіндегі органикалық синтез реакцияларында полимерлі матрицалар мен Al,O, бетіндегі палладий нанобөлшектерінің жоғары іріктемелілігі (селективтілігі) мен белсенділігі анықталған, цеолитті матрицалардағы мыс оксидтері мен темір тобы металдарының қосылыстары көміртек монооксиді мен металдың тотығуы кезінде күшті әсер берді.

ДНК негізіндегі жоғары тасымалдағыштарды жасау жаңа сүзгіштік (филтрациондық), каталитикалық және жалпы композициялық жүйелерді өңдеп шығару бойынша перспективті бағыт ретінде қарастырылады. Мысалы, олардың қалдық газдарды қиын бұзылатын канцерогенді диоксиндерден тазартуға қатысты жоғары сорбциялық сипаттамалары көрсетілді.

Нанокристалды ТіO,-нің фотокаталитикалық қасиеттері түрлі ғимараттардағы ауаны (пәтер, цех, балабақша, аурухана, кеңсе және т.б.) тұрмыстық және өнеркәсіптік текті органикалық ластағыштардан тазартуға арналған құралдарда қолданыс тапты. Құралдардың жұмыс істеу принципі нанокристалды TiO, бетіндегі органикалық коспалардың ультракүлгін сәулелер әсерінен фотокаталитикалық тотықсыздануына негізделген (6.28-сурет).

Ауаны түрлі химиялық қосылыстардан тазарту бойынша зерттеулер нәтижелері 6.3-кестеде келтірілген.

Бұл мәліметтер фотокаталитикалық тотықтырудың тиімділігін дәлелдейді. Одан кейін тазартылған ауа құрамында зиянды қосылыстар мен тотығу өнімдері - көміртек диоксиді мен су буларының мөлшері азаяды. Мұндай құралдар В.Н. Троицкийдің басшылығымен жасалып, ЖАҚ «Наноматериалдар» (Черноголовка, Мәскеу облысы) фирмасымен шығарылады.

TiO, мен CdSe-ден жасалған үлпектер мен кеуектілігі жоғары қабаттар күн батареялары мен жарық диодтары үшін перспективті деп саналады.

Ультрадисперсті ұнтақтар көп қабатты фильтрлерді дайындау үшін қолданылады. «Ультрам» (Мәскеу) ғылыми-өндірістік орталығында В.Н. Лаповка мен Л.И. Трусов басшылығымен TiN немесе TiO, негізіндегі ультрадисперсті ұнтақтан жасалған қабаты бар кеуекті тат баспайтын болаттан жасалған пластикалы және түтік тәрізді фильтрлеуші элементтердің түрлерін өңдеп шығарды. Мұндай фильтрлердің газды орталар үшін фильтрлеу жұқалығы 10 нм – ге дейін жетеді (қысым ауытқуы 0,1 бар) және сұйық орталар үшін сүзу жұқалығы 10-100 нм-ге дейін жетеді (қысым ауытқуы 2-5 бар). Сүзгілер Ресейде, АҚШ-та және ЕЭО елдерінде эксплуатациялық сынақтан өтіп, патенттелген. Су-май эмульсияларын бөлу, ағынды сулар мен сұйық радиоактивті қалдықтарды тазарту, жасушалар ыдырауының өнімдерін фильтрлеу - бұл жұқа тазарту фильтрлерінің қолданылу аудандарының толық емес тізімі.

Гидриттер сутегі аккумуляторлары ретінде бұрыннан қызығушылық тудырады. Қазіргі кезде FeTi-H, , LaNi,-H, және т.б. сияқты жүйелерге арналған көптеген техникалық қосындылар белгілі. Бірақ құрамында 7.65 мас. % Н, бар магний гидридін MgH, қолдану үдерістің қанағатсыз кинетикалық сипаттамаларымен күрделенеді, бұл бөлшектер бетінде оксидті үлпектердің болуына байланысты. Mg,Ni қоспаларын қосу мәселені жеңілдетеді, бірақ ең тиімдісі Mg(MgH,)-FeTi, Mg(MgH,)-LaNi,, Mg(MgH,)- TiO,, Mg(MgH,)-(V,Nb) және т.б. типтегі нанокомпозицияларды алу арқылы қарқынды ұнтақтауды (механохимиялық өңдеуді) қолдану болып табылады. Бетте механохимиялық өңдеу үдерісінде пайда болатын және каталитикалық әсер көрсететін магнийлі бөлшектердің болуы, сонымен қатар нанокристалды құрылымның түзілуі гидрлеу-дегидрлеу сипаттамаларын және магний гидридінің сутекті сыйымдылығын арттырады. 6.29-суретте MgH, ұнтақтарынан алынған сутегінің 20 сағат бойы ұнтақтауға дейінгі және одан кейінгі (меншікті бет 1,2 м2/г-нан 12,1 м2/г-ға дейін артады) адсорбция және десорбция қисыктары, сонымен қатар, ұнтақталған MgH,+V (5 ат. %) қоспаларының (ванадий бөлшектерінің орташа мөлшері шамамен 60 нм) әрекеті көрсетілген. Ұнтакталған MgH, үшін сорбция және десорбция параметрлерінің өзгерісі мен ванадий коспаларының әсері айқын байқалып тұр. Магний гидридінің сорбциялық қасиеттерінің едәуір белсенділігі сонымен қатар, ұнтақтау кезіндегі графит коспаларын енгізу кезінде де байқалады.

NaAlH -ке бірлескен ұнтақтау кезінде енгізілетін Ті нанобөлшектерінің шамалы қоспалары сутегі сорбциясының жылдамдығын 40 есе арттырады және 4,6 мас.% сутегінің мөлшерін қамтамасыз стеді. Фуллерендер мен көміртекті нанотүтікшелерді сутегіні сорбциялау мақсаты үшін колдану да перспективті болып саналады. Теориялық тұрғыда фуллеренді негіздің бұзылуынсыз құрамында 7,7 мас.% бар С Н молекуласының алынуын күтуге 60 болады. Бірақ мұндай гидрофуллеренді синтездеу мүмкін болмады; көміртекті наноқұрылымдардың сорбциялық сипаттамалары туралы тәжірибелік ақпарат қарама-қайшы және тәжірибелік мәліметтерді жинау жалғасуда.

Механохимиялық өңдеу басқа типтегі аккумуляторлардағы өткізгіш қасиеттерін жақсарту үшін (метил-ионды және никель-гидридті батареялардыңкатодтыматериалдарыүшін) колданылады. «Nanopowder Enterprices incorporated» (АҚШ) фирмасы автомобильдік, ғарыштық және әскери техникада қолданылатын литийлі аккумуляторлардың электродтары үшін литий және қалайы қосылыстарының (Li Ti O LiMnO,, LiVO , SnO,) наноұнтақтарын шығарады. Батареялардың сыйымдылық, жұмыс істеу мерзімі, зарядтау/разрядтау жылдамдығы және басқа сияқты маңызды сипаттамалары наноматериалдарды қолдану кезінде жақсара түседі. Көміртекті нанотүтікшелерді литийлі батареяларды қолдану мүмкіндігі бойынша зерттеу жұмыстары жүргізілуде. Жоғары разрядты сипаттамалар, әдеттегі графитті электродтармен салыстырғанда, нанотүтікшелердегі литий концентрациясын арттыру есебінен болады деп күтілуде.

Zn, Al, TiO,, ZnO және басқа да ультрадисперсті ұнтақтары лак және бояу жасау өнеркәсібінде және косметикада бұрыннан қолданылуда. Салыстырмалы жаңа аудан - принтерлер үшін тиімді сия жасау. ZnO, негізіндегі жұқа ұнтақтар перспективті болып табылады.

Қоршаған ортаның мониторинг мәселесіне байланысты жартылай өткізгіш оксидтер (SnO,, MоO,, WO,, TiO,, Ln,O, және т.б.) негізіндегі газды сенсорлар қызығушылық тудырады.

6.30-суретте сенсорлы қабатпен қыздырылатын аналитикалық қондырғы көрсетілген. Ылғалдылықты өзгерту кезінде СО, СН, және C,Н.ОН-ты, сонымен қатар, СО, СН, және Н,-ні селективті анықтау мүмкіндігі көрсетілген. Бірқатар елде (мысалы, Италияда) бензоколонкалар маңында атмосфера құрамын бақылау үшін нанокристалды сенсорларды қолдану тәжірибесі бар, бірақ құнын азайту және тұрақты жұмыс істеу ұзақтылығы мәселелері әлі де шешілген жоқ. Осыған қарамастан наносенсорлардың жоғары сезімталдық, селективтілік,физикалық-химиялық және физикалық-механикалық қасиеттерін өзгерту мүмкіндігі сияқты жағымды қасиеттері олардың кеңінен қолданылу перспективасын анықтайды.