Синтез газообразного водорода и наночастиц кремния и оксида кремния путем пиролиза тетраэтоксисилана в электрическом разряде под действием ультразвука

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.

1. Bulychev N.A. Plasma discharge with surround glow in the liquid phase under the impact of ultrasound / Kazaryan M.A., Gridneva E.S., Murav’ev E.N., Solinov V.F., Koshelev K.K., Kosheleva O.K., Sachkov V.I. Chen S.G. // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2012 – Vol. 39 – No. 7 – pp. 214–220.

2. Klassen N. Laser and electric arc synthesis of nanocrystalline scintillators / Krivko O., Kedrov V.V., Shmurak S.Z., Kiselev A.P., Shmyt’ko I.M., Kudrenko E.A., Shekhtman A.A., Bazhenov A.V., Fursova T.N., Abramov V.O., Bulychev N.A., Kisterev E.V. // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2010 – Vol. 57 – No. 3 – pp. 1377– 1381.

3. Ishigami M. Plasma in liquids / Cumings J., Zettl A., Chen S. // Chem. Phys. Lett. – 2000 – Vol. 319 – p. 457.

4. Hsin Y.L. Nanoparticles obtained by plasma discharge / Hwang K.C., Chen F.R., Kai J.J. // Adv. Mater. – 2001 – Vol. 13 – p. 830.

5. Bulychev N.A. Hydrogen Production by LowTemperature Plasma Decomposition of Liquids / Kazaryan M.A., Averyushkin A.S., Chernov A.A., Gusev A.L. // International Journal of Hydrogen Energy – 2017 – Vol. 42 – pp. 20934-20938.

6. Bulychev N.A. Plasma Discharge in Liquid Phase Media under Ultrasonic Cavitation as a Technique for Synthesizing Gaseous Hydrogen / Kazaryan M.A., Ethiraj A., Chaikov L.L. // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2018 – Vol. 45 – No. 9 – pp. 263–266.

7. Formalev V.F. Heat transfer with absorption in anisotropic thermal Protection of high-temperature products / Kolesnik S.A., Garibyan B.A. // Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences – 2019 – Vol. 86 – I. 5 – pp. 35-49.

8. Formalev V.F. Mathematical modeling of heat transfer in anisotropic plate with internal sinks / Kolesnik S.A., Garibyan B.A. // Computational Mechanics and Modern Applied Software Systems (CMMASS’2019) AIP Conf. Proc. – 2019 – Vol. 2181 – article 020003.

9. Formalev V.F. On Thermal Solitons during Wave Heat Transfer in Restricted Areas / Kolesnik S.A. // High Temperature – 2019 – Vol. 57 – I. 4 – pp. 498- 502.

10. Formalev V.F. Heat Transfer in a Half-Space with Transversal Anisotropy Under the Action of a Lumped Heat Source / Kolesnik S.A. // Journal of Engineering Physics and Thermophysics – 2019 – Vol. 92 – I. 1 – pp. 52-59.

11. Formalev V.F. Simulation of Nonequilibrium Heat Transfer in an Anisotropic Semispace Under the Action of a Point Heat Source / Kartashov É.M., Kolesnik S.A. // Journal of Engineering Physics and Thermophysics – 2019 – Vol. 92 – I. 6 – pp. 1537-1547.

12. Panasyuk G.P. Hydrargillite - boehmite transformation / Belan V.N., Voroshilov I.L., Kozerozhets I.V. // Inorganic materials – 2010 – Vol. 46 – No. 7 – pp. 747-753.

13. Panasyuk G.P., Effect of pre-heat treatment and cobalt doping of hydrargillite on the kinetics of the hydrargillite-corundum transformation in supercritical water fluid / Luchkov I.V., Kozerozhets I.V., Shabalin D.G., Belan V.N. // Inorganic materials – 2013 – Vol. 49 – No. 9 – pp. 899-903.

14. Butusova O.A. Surface Modification of Titanium Dioxide Microparticles Under Ultrasonic Treatment. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – No. 4 – pp. 2292-2296.

15. Tarasova A.N. Vibration-based Method for Mechanochemical Coating Metallic Surfaces. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1160-1168.

16. Garibyan B.A. Mechanical Properties of Electroconductive Ceramics. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1825-1828.

17. Garibyan B.A. Enhancement of Mechanical Properties of Inorganic Glass under Ultrasonic Treatment. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1829-1832.

18. Kaptakov M.O. Effect of Ultrasonic Treatment on Stability of TiO2 Aqueous Dispersions in Presence of Water-Soluble Polymers. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1821-1824.

19. Panasyuk G.P. The thermodynamic properties and role of water contained in dispersed oxides in precursor-boehmite conversion, based on the example of aluminum hydroxide and oxide under hydrothermal conditions in different environments / Kozerozhets I.V., Voroshilov I.L., Belan V.N., Semenov E.A., Luchkov I.V. // Russian journal of physical chemistry A – 2015 – Vol. 89 – No. 4 – pp. 592-597.

20. Panasyuk G.P. A new method of synthesis of nanosized boehmite (AlOOH) powders with a low impurity content / Semenov E.A., Kozerozhets I.V., Azarova L.A., Belan V.N., Danchevskaya M.N., Nikifirova G.E., Voroshilov I.L., Pershikov S.A. // Doklady Chemistry – 2018 – Vol. 483 – pp. 272–274.

21. Butusova O.A. Stabilization of Carbon Microparticles by High-Molecular Surfactants. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1147-1151.

22. Kaptakov M.O. Catalytic Desulfuration of Oil Products under Ultrasonic Treatment. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1838-1843.

23. Tarasova A.N. Effect of Reagent Concentrations on Equilibria in Water-Soluble Complexes. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1169-1172.

24. Tarasova A.N. Effect of Vibration on Physical Properties of Polymeric Latexes. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1173-1180.

25. Kaptakov M.O. Enhancement of Quality of Oil Products under Ultrasonic Treatment. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1851-1855.

26. Butusova O.A. Vinyl Ether Copolymers as Stabilizers of Carbon Black Suspensions. // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1152-1155.

27. Kozerozhets I.V. New approach to prepare the highly pure ceramic precursor for the sapphire synthesis / Panasyuk G.P., Semenov E.A., Avdeeva V.V., Ivakin Yu.D., Danchevskaya M.N. // Ceramics International – 2020 – Vol. 46 – I. 18 – pp. 28961-28968.

28. Kozerozhets I.V. How Acid Medium Affects the Hydrothermal Synthesis of Boehmite / Panasyuk G.P., Semenov E.A., Vasil’ev M.G., Ivakin Yu.D., Danchevskaya M.N. // Russian Journal of Inorganic Chemistry – 2020 – Vol. 65 – No. 10 – pp. 1529–1534.

29. Goncharenko Vladimir / Pattern recognition techniques for classifying aeroballistic flying vehicle paths // Mikhaylov Yury, Kartushina Natalya. Neural Computing and Applications – 2022 – Vol. 34 – No. 5 – pp. 4033-4045.

30. Butusova O.A. Adsorption Behaviour of Ethylhydroxyethyl Cellulose on the Surface of Microparticles of Titanium and Ferrous Oxides // International Journal of Pharmaceutical Research – 2020 – Vol. 12 – Suppl. Is. 2 – pp. 1156-1159.

31. Kaptakov M.O. Synthesis and Characterization of Polymer Composite Materials Based on Polyethylene and CuO Nanoparticles. // AIP Conference Proceedings – 2021 – Vol. 2402 – article number 020027.

32. Ioni Yu.V. / Preparation of Polymer Composite Material with Fe2O3 Nanoparticles Synthesized with Low-Temperature Plasma under Ultrasonic Action // Butusova O.A. AIP Conference Proceedings – 2021 – Vol. 2402 – article number 020035.

33. Ioni Yu.V. / Synthesis of Al2O3 Nanoparticles for Their Subsequent Use as Fillers of Polymer Composite Materials // Butusova O.A. AIP Conference Proceedings – 2021 – Vol. 2402 – article number 020036.

34. Panasyuk G.P. Methods for High-Purity Aluminum Oxide Production for Growth of Leucosapphire Crystals (Review) / Azarova L.A., Belan V.N., Semenov E.A., Danchevskaya M.N., Voroshilov I.L., Kozerozhets I.V., Pershikov S.A., Kharatyan S.Yu. // Theoretical foundations of chemical engineering – 2019 – Vol. 53 – No. 4 – pp. 596-601.

35. Panasyuk G.P. A new method for producing nanosized γ-Al2O3 powder / Kozerozhets I.V., Semenov E.A., Azarova L.A., Belan V.N., Danchevskaya M.N. // Russian journal of inorganic chemistry – 2018 – Vol. 63 – No. 10 – pp. 1303-1308.