Николай Алексеевич Булычев, д-р хим. наук, профессор кафедры Физической химии
125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4
Nikolay Bulychev, D.Sc. in Chemistry, professor
125993, Volokolamskoe shosse, 4, Moscow
В настоящей работе проведены исследования процесса синтеза газообразного водорода, а также наночастиц кремния и оксида кремния при воздействии интенсивной ультразвуковой кавитации на плазменный разряд в среде тетраэтоксисилана.Показано, что возникающая в жидкости в интенсивном ультразвуковом поле выше порога кавитации особая форма плазменного разряда, характеризующаяся объемным свечением во всем пространстве между электродами и возрастающей вольт – амперной характеристикой, может быть эффективно использована для инициирования различных физических и химических процессов. Было показано, что ультразвуковое воздействие в сочетании с электрическим разрядом способно разлагать молекулы тетраэтоксисилана с образованием водорода, оксидов углерода, а также твердофазных продуктов – наночастиц кремния и оксида кремния.Эксперименты по получению водорода и наночастиц проводились на специальной экспериментальной установке для реализации плазменного разряда в жидкофазных средах. Установка состоит из ультразвукового генератора, пьезокерамического преобразователя, источника питания разряда, реакционной камеры и разрядных электродов.Результаты анализа газообразных продуктов реакции методом газовой хроматографии показывают, что при пиролизе жидкого тетраэтоксисилана происходит образование водорода с объемной концентрацией порядка 90% и оксидов углерода. Синтезированные наночастицы кремния и оксида кремния были выделены и исследованы с помощью методов физико-химического анализа – инфракрасной спектроскопии, рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии для установления состава, формы и размера наночастиц.Исследование наночастиц методом электронной микроскопии показало, что при синтезе получаются частицы краеугольной формы. Размер синтезированных наночастиц составляет 50-100 нм. Методом электронной микроскопии показано также, что при агрегации частицы не укрупняются в размерах, а образуют составные ассоциаты. Важно отметить также, что преимуществом данного метода для синтеза наночастиц является их активированная поверхность, обладающая высокой реакционной способностью в результате воздействия интенсивного ультразвука.Полученные наночастицы и их агломераты могут быть также использованы в качестве функциональных материалов, наполнителей, компонентов композиционных материалов.
In this work, we studied the process of synthesis of gaseous hydrogen, as well as silicon and silica nanoparticles under the action of intensive ultrasonic cavitation in a plasma discharge in a tetraethoxysilane medium.It is shown that a new form of plasma discharge arising in a liquid in an intensive ultrasonic field above the cavitation threshold, characterized by a volumetric glow in the entire space between the electrodes and an increasing voltampere characteristic can be effectively used to initiate various physical and chemical processes. It was shown that ultrasonic action in combination with an electric discharge is capable of decomposing tetraethoxysilane molecules with the formation of hydrogen, carbon oxides, and also solid-phase products - silicon and silica nanoparticles.Experiments on the production of hydrogen and nanoparticles were carried out on a special experimental setup for the implementation of a plasma discharge in liquid-phase media. The setup consists of an ultrasonic generator, a piezoceramic transducer, a discharge power source, a reaction chamber, and discharge electrodes.The results of the analysis of gaseous reaction products by gas chromatography show that during the pyrolysis of liquid tetraethoxysilane, hydrogen is formed with a content of about 90% and carbon oxides. The synthesized silicon and silica nanoparticles were isolated and studied using the methods of physicochemical analysis - infrared spectroscopy, X-ray phase analysis and transmission electron microscopy to determine the composition, shape and size of nanoparticles.The study of nanoparticles by electron microscopy showed that particles of a corner shape are obtained during synthesis. The size of the synthesized nanoparticles is 50–100 nm. It was also shown by electron microscopy that, upon aggregation, the particles do not become larger in size, but form compound associates. It is also important to note that the advantage of this method for the synthesis of nanoparticles is their activated surface, which has a high reactivity as a result of exposure to intense ultrasound.The resulting nanoparticles and their agglomerates can also be used as functional materials, fillers, and components of composite materials.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.