Регистрация / Вход
Прислать материал

Локальные строение, электронная структура и адсорбционные свойства единичных наночастиц золота, нанесенных на графит и окисленный кремний.

Докладчик: Шуб Борис Рувимович

Должность: Президент НП "Центр ДНН", профессор, д.х.н.

Цель проекта:
Создание новых технологий и методов для диагностики строения и физико-химических свойств нанострукутрированных покрытий, установление взаимосвязи между элементным составом, строением, электронной структурой и поверхностной плотностью единичных наночастицах металлов и металооксидов, нанесенных на подложки различной природы, для создания новых высокоэффективных наноматериалов с заданными свойствами.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта будут определены структура и электронное строение единичных наночастиц ряда металлов и оксидов, получаемых различными методами, выявлено влияние подложки на физико-химические характеристики единичных наночастиц и нанострукутрированных покрытий на их основе, установлены особенности взаимодействия наночастиц, образующих покрытие, в зависимости от степени заполнения подложки, определены формы адсорбции, параметры и продукты химического взаимодействия газофазных реагентов с нанострукутрированными покрытиями в зависимости от их элементного состава, плотности и природы подложки. В результате будет дан ответ на вопрос о влиянии строения наночастиц и природы подложки на физические и химические свойства покрытий. Будет проведено моделирование физико-химических характеристик единичных наночастиц и адсорбционных комплексов с использованием современных методов квантово-химических расчетов.

Анализ полученных данных позволит определить набор параметров, определяющих состояние исследуемого покрытия, диапазоны их значений и на основе полученной информации создать новые методы диагностики таких покрытий. Эти методы впервые позволяют определять строение, электронную структуру и физико-химические свойства единичных поверхностных наноструктур, детектировать единичные структурные дефекты, определять динамические характеристики, константы скорости элементарных процессов, теплоты адсорбции и десорбции при различных внешних условиях – электрических полях, температуре и т.д.

Впервые решается фундаментальная научно-техническая проблема создания методов диагностики физико-химических характеристик новых функциональных материалов на основе наноструктурированных покрытий, образованных единичными наночастицами металлов и металлоксидов. Задаче диагностики физико-химических свойств наноструктурированных покрытий посвящена обширная литература. Как правило, экспериментальная часть этих работ выполнена на самом современном уровне, а теоретическая часть использует актуальные методы квантово-химических расчетов физических параметров наночастиц и адсорбционных комплексов на их основе. Тем не менее, в большинстве случаев полученная информация содержит либо данные, усредненные по участкам поверхности, содержащим огромное количество наночастиц с различными размером, формой, строением, либо ограничивается лишь единственной наночастицей или единственным адсорбционным комплексом. Таким образом, несмотря на обширность проводимых в России и за рубежом исследований в данном направлении, в большинстве случаев они не позволяют ни выработать рекомендации по методам целенаправленного формирования наноструктурированных покрытий с заданными свойствами, ни создать методику диагностики физико-химических характеристик таких покрытий.

Для достижения поставленных задач будут проведены эксперименты на сверхвысоковакуумном исследовательском комплексе, включающем в свой состав сканирующий туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, Оже-спектрометр, масс-спектрометр, ионный источник, нагреватель, систему напуска газов с натекателем. Развиваемые нами экспериментальные методики устраняют основные методические трудности изучения гетерогенных каталитических процессов методами СТМ и СТС, связанные с дрейфом острий, неконтролируемыми изменениями состояний острия и поверхности в ходе стандартных измерений. Будут использованы следующие методы формирования наноструктурированных покрытий: лазерное электродиспергирование, соосаждение из раствора, рост наночастиц в растворе обратных мицелл и другие, Эти методики позволят получать наночастицы различной структуры и электронного строения, а также покрытия с варьируемой степенью заполнения поверхности подложки. Для моделирования физико-химических характеристик единичных наночастиц и адсорбционных комплексов на их основе будут использованы современные способы квантово-химических расчетов на основе метода функционала электронной плотности.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В ходе выполнения проекта будут разработаны новые и адаптированы существующие методы диагностики наноструктурированных покрытий, а также определены физико-химические характеристики единичных наночастиц и покрытий на их основе. Методы диагностики физико-химических характеристик наноструктурированных покрытий представляют интерес для как для профильных научно-исследовательских организаций, разрабатывающих новые высокоэффективные адсорбенты, катализаторы, защитные покрытия, высокочувствительные сенсоры изменения состава газовой среды, элементы питания, элементы нано– и микроэлектроники, солнечные элементы с высоким КПД, так и для научно-производственных организаций, выпускающих научное оборудование для исследования поверхности. Результаты исследований по теме данного проекта позволят интенсифицировать процессы создания нанострукутрированных покрытий с заданными свойствами и, тем самым, сократить финансовые затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Разработанные методы диагностики наноструктурированных покрытий могут быть в дальнейшем запатентованы для использования в новом научном оборудовании.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время получены следующие результаты:
1. Определены размеры, форма и электронное строение единичных наночастиц золота и никеля, полученных методами лазерного электродиспергирования, соосаждения из раствора и роста в обратных мицеллах. Установлено, что два первых метода позволяют получить сферические наночастицы золота диаметром 4-6 нм с малой дисперсией по размерам. Наночастицы никеля, полученные при соосаждении из раствора и выращенные обратных мицеллах, также имеют сферическую форму и диаметр 4-6 нм. Метод лазерного электродиспергирования позволяет создавать аморфные наночастицы, остальные методы - кристаллические. Золотые наночастицы являются металлом, никелевые наночастицы окислены и проявляют полупроводниковые свойства.
2. Проведены квантово-химические расчеты структуры и электронного строения наночастиц золота Au12, Au13, Au55, Au100, Au147 и адсорбционных комплексов с участием водорода на их основе. Определены места адсорбции водорода и энергия связи золото-водород (диапазон значений энергии простирается от 2 эВ для адсорбционного комплекса состава Au13+H до 3.2 эВ для адсорбционного комплекса состава Au147+H20).