Единый портал инновационной деятельности Самарской области
АНКЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Лазерный синтез и исследование структурно-фазовых характеристик оксидных материалов

оксидный катализатор; оксид алюминия; оксид никеля; носитель катализатора; лазерная термообработка; лазерная термохимия; лазерная фотохимия; корунд; лейкосапфир; керамическая оптика; люминофор

Рубрикатор ВИНИТИ

291, Физика

Наименование базовой организации

Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Количество организаций: 3

Научный руководитель

Кузнецов Сергей Иванович
кандидат физико-математических наук
Число монографий: 0
Число учебно-методических изданий: 0
Число научных работ в зарубежных издательствах: 0
Число статей в журналах ВАК: 14
Число патентов: 0

Лазерный синтез и исследование структурно-фазовых характеристик оксидных материалов

Критические технологии

  • Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов.

Длительность проведения исследования

более 5 лет

Аннотационное описание сущности

Исследование посвящено разработке физико-химических основ технологии синтеза оксидных материалов и модификации их свойств под воздействием лазерного излучения. Возможные области применения материалов, получаемых данным методом – гетерогенный катализ, материалы для керамической оптики, люминофоры. 
Для целей гетерогенного катализа исследовались условия синтеза оксидов никеля и алюминия из различных неорганических соединений. 
Отработана технология получения порошков оксидов при лазерной обработке различных солей (кристаллогидрата нитрата никеля, кристаллогидрата сульфата никеля, гидроксокарбоната никеля), выявлена зависимость структуры оксидов от режимов лазерного воздействия и типа используемой соли. Полученные лазерным синтезом оксиды никеля испытывались в каталитической реакции гидрирования бензилцианида до  - фенетиламина по оригинальному каталитическому процессу, разработанному во Всероссийском институте органического синтеза (ЗАО ВНИИОС НК). Было получено, что каталитическая активность и селективность оксидов никеля сильно зависит от режимов лазерной обработки. При этом существуют режимы синтеза, при которых получаемые оксиды имеют активность и селективность существенно выше, чем у оксидов никеля, полученных разложением кристаллогидрата нитрата никеля в муфельной печи. 
Исследования по влиянию лазерной обработки на структуру гидроксидов и оксидов алюминия проводились на гидроксидах со структурой псевдобемита, полученных по алкоксотехнологии в ЗАО ВНИИОС НК. Изучалось влияние гранулометрии исходного оксида на процессы разложения гидроксида и структурно-фазовых преобразований в оксидах алюминия при равновесном печном и неравновесном лазерном нагреве. Показано, что процессы разложения гидроксидов с микро- и наноразмерными частицами протекают по-разному как при равновесном, так и при неравновесном нагреве. Определены условия получения однофазных и многофазных оксидных образцов. Подробно изучены особенности поведения псевдобемита при лазерном воздействии, что представляет большой интерес для структурной химии гидроксидов алюминия. В результате исследований было установлено, что лазерная термообработка является эффективным способом исследования процессов разложения гидроксидов, и данные результаты могут стать основой научного метода исследования структуры различных гидроксосоединений и процессов, протекающих при их нагреве. 
Практически важной и интересной с научной точки зрения областью применения оксидов алюминия является создание оптических материалов из оксидов алюминия: люминофоров голубой области спектра (гамма- и альфа- фазы оксида алюминия) и корундовой керамической оптики. Оптические материалы должны иметь очень высокую чистоту, размеры кристаллитов порядка нескольких десятков нанометров и очень низкую концентрацию объемных и поверхностных дефектов. Проведенные исследования показали, что лазерная обработка позволяет управлять концентрацией дефектов и получать оксиды с концентрацией дефектов ниже, чем при разложении в печи; а также за малые времена воздействия порошки не успевают агломерироваться и спекаться, так что есть возможность получать частицы нужного размера. Кроме того, лазерная обработка безконтактна, может проводиться в контролируемой атмосфере и поэтому обеспечивать необходимую чистоту получаемых материалов. Проводимые в настоящее время исследования направлены на разработку методов количественной оценки дефектности материалов и определения размеров и распределений по размерам получаемых оксидов алюминия.

Научная новизна исследования

Впервые показана возможность получения оксидных никелевых катализаторов, причем активность катализатора и его селективность выше, чем у оксида никеля, полученного разложением при печном нагреве. Впервые выявлены особенности лазерной обработки порошков гидроксида алюминия с различной гранулометрией и изучено влияние гранулометрии исходного гидроксида на кинетику структурно-фазовых превращений в получаемых оксидах алюминия. Выявлены принципиальные различия в протекании структурно-фазовых преобразований в гидроксидах с микронным и нанометровым размером частиц, а также отличие характеров фазовых превращений при равновесном печном и неравновесном лазерном нагреве. Разработаны основы технологии получения порошков корунда с размером кристаллитов менее 100 нм и низкой дефектностью структуры.

Опубликованные результаты научного исследования

1.	Петров А.Л., Саблукова И.В., Тарасова Е.Ю. и др. Способ приготовления оксидных катализаторов // Патент РФ № 2188709 от 10.09.2002 г. 
2.	Петров А.Л., Саблукова И.В., Тарасова Е.Ю., Шишковский И.В. Влияние лазерного излучения на каталитические свойства систем на основе никеля // Известия Самарского научного центра РАН, 2001, т.3, № 1, с. 24 – 26.
3.	Кузнецов С.И., Петров А.Л., Тарасова Е.Ю. Исследование процессов лазерного синтеза катализаторов и модификации структуры каталитически активных материалов – «Лазерная физика и технология. Сборник трудов Самарского филиала ФИАН» 2005 г. С. 180 – 189.
4.	Кузнецов С.И., Тарасова Е.Ю. Гомологическое искажение кристаллической структуры алюминия при воздействии лазерного излучения // Краткие сообщения по физике, 2008, № 10, С. 3 – 10
5.	Кузнецов С.И., Тарасова Е.Ю., Петров А.Л., Саблукова И.В., Сычева О.А. Особенности структурно-фазовых превращений в оксидах алюминия различного гранулометрического состава // Третья всероссийская конференция по наноматериалам НАНО 2009. Екатеринбург 20-24 апреля 2009г. – Екатеринбург: Уральское изд-во, 2009г. с. 383 – 385
6.	Кузнецов С.И., Тарасова Е.Ю., Петров А.Л., Саблукова И.В., Сычева О.А. Применение лазерного излучения для синтеза и модификации структуры каталитически активных материалов // Российский конгресс по катализу РОСКАТАЛИЗ. Сборник тезисов. Том I. Новосибирск, 2011 г., С.117
7.	Кузнецов С.И., Тарасова Е.Ю., Петров А.Л., Саблукова И.В., Сычева О.А. Лазерный синтез оксида алюминия // Четвертая Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО 2011. Москва. 01-04 марта 2011 г. / Сборник материалов. – М.: ИМЕТ РАН, 2011, С. 130

Сведения о наиболее близких исследованиях

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН проводит работы по синтезу оксидных катализаторов методом быстрого нагрева при контакте с нагретой поверхностью (флаш-реактор). Условия нагрева во флаш-реакторе неравновесные, но времена нагрева и охлаждения существенно больше, чем при лазерной обработке и условия синтеза «менее неравновесные». Максимальная температура нагрева в используемом реакторе невысокая, так что, например, для оксидов алюминия происходит синтез только самых низкотемпературных фаз; получение высокотемпературных фаз 
1.	Иванова А.С. Оксид алюминия: применение, способы получения, структура и кислотно-основные свойства // Промышленный катализ в лекциях. №8/2009. М.: Калвис, 2009. 112 с.
2.	Танашев Ю.Ю., Мороз Э.М., Исупова Л.А., Иванова А.С., Литвак Г.С., Амосов Ю.И., Рудина Н.А., Шмаков А.Н., Степанов А.Г., Харина И.В., Кулько Е.В., Данилевич В.В., Балашов В.А., Кругляков В.Ю., Золотарский И.А., Пармон В.Н. Получение оксидов алюминия на основе продуктов быстрого терморазложения гидраргиллита в центробежном флаш-реакторе. I. Физико-химические свойства продуктов центробежной термоактивации гидраргиллита // Кинетика и катализ, 2007, т. 48, № 1, с. 161 – 170.
Лаборатория плазменных процессов в металлургии Института металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН занимается получением порошков оксидов металлов распылением в плазме и другими плазменными технологиями. Условия получения материалов также неравновесны, но температуры существенно выше, чем при лазерной термообработке и меньше возможностей в управлении температурой обработки. Основные публикации:
1.	Цветков Ю.В.,А.В. Самохин, Н.В.Алексеев Плазмохимические процессы создания нанодисперсных порошковых материалов // Химия высоких энергий, 2006, т.40, №2, с.120–126.
2.	Цветков Ю.В. Термическая плазма в нанотехнологиях. // Наука в России, 2006, №2, с.4–9;
3.	Казенас Е.К., Цветков Ю.В.Термодинамика испарения оксидов.// M: Издательство ЛКИ, 2008. – 480 с.

Планируемые результаты и практическая значимость

В ближайшие три года планируется разработка методики рентгеновского анализа дефектов структуры оксидов алюминия различных фаз, позволяющая определять как общую плотность дефектов, так и вероятности нахождения дефектов различных типов. Также планируется отработка методики РФА исследования распределений по размерам кристаллитов в поликристаллических и порошковых материалах. С помощью данных методик будет отрабатываться технология управления микроструктурой оксидов алюминия различных кристаллографических фаз. Проводимые исследования способствуют пониманию природы каталитической активности оксидов, влияния дефектов структуры на физические и химические свойства оксидов, что необходимо для улучшения функциональных характеристик материалов в различных областях техники и технологии.

Форма передачи и организация внедрения результатов исследования


										

Финансирование работ со стороны федеральных целевых программ

Нет

Финансирование работ в рамках Постановление Правительства России от 9 апреля 2010 г. N 218

Нет

Финансирование работ в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований

Нет

Финансирование работ по контрактам, договорам, грантам, не указанных (ФЦП, 218, РФФИ)

Нет

Связи по совместному развитию

ЗАО «ВНИИОС НК»; Самарский Государственный университет; Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова

Потребности по привлечению компетенций

Необходимо проведение совместных работ с академическими институтами, ВУЗами, промышленными предприятиями в следующих областях: измерение удельной поверхности наноразмерных порошковых материалов; испытание каталитической активности различных оксидных материалов; разработка новых каталитических систем и каталитических процессов на их основе; исследование оптических свойств оксидов алюминия и изготовление керамических оптических элементов из корунда.

Общее кол-во научных работников

4

Количество научных работников имеющих степень доктора наук

0

Количество научных работников имеющих степень кандидата наук

1

Общее количество вспомогательного и обслуживающего персонала

0

Наименование темы и номер гранта ведущей научной школы РФ

0708 00 3 Физико-химические методы исследования процессов и материалов – 1 человек 0710 00 3 Материаловедение и технология новых материалов– 1 человек 2501 00 3 Химическая технология органических веществ– 1 человек 2502 00 3 Химическая технология неорганических веществ– 1 человек 2001 00 3 Материалы и компоненты твердотельной электроники– 1 человек

Потребность в научных работниках в ближайшие 3 года и их специализация

0708 00 3 Физико-химические методы исследования процессов и материалов – 1 человек 0710 00 3 Материаловедение и технология новых материалов– 1 человек 2501 00 3 Химическая технология органических веществ– 1 человек 2502 00 3 Химическая технология неорганических веществ– 1 человек 2001 00 3 Материалы и компоненты твердотельной электроники– 1 человек

Потребность во вспомогательном и обслуживающем персонале в ближайшие 3 года

3

Общее количество единиц научного и лабораторного оборудования, используемого в исследовании

12

Наиболее значимое научное и лабораторное оборудование

Лазер ЛТН-103 с координатным столом Ateko; комплекс для лазерной обработки (на базе СО2) - лазера Halk 53; рентгеновский дифрактометр ДРОН 3; электропечь с программируемым нагревом SNOL; микроскоп атомно-силовой СММ 2000; микроскоп электронный LEO EVO 50 ЕР с энергодисперсионным и волновым детекторами и кристаллографической приставкой; микроскоп оптический металлографический МЕТАМ ЛВ; микротвердомер ПМТ 3М; аналитические весы GR 200.

Количество средств вычислительной техники

7

Потребность в научном и лабораторном оборудовании с учетом прогноза развития исследования в ближайшие 3 года и плановой замены имеющегося оборудования

Необходимое оборудование: прибор для определения площади удельной поверхности и пористости материалов; дериватограф; прибор для определения размеров частиц (до размеров порядка единиц нанометров).
На замену имеющемуся оборудованию: дифрактометр общего назначения, лазерный комплекс на основе непрерывного СО2-лазера (длина волны 10,6 мкм, мощность 100 Вт), лазерная установка с непрерывным излучением (длина волны 1,06 мкм, мощность 500 Вт), печь электрическая высокотемпературная (рабочая температура до 1700 С).

Текущая потребность в средствах вычислительной техники

Нет

Используемое специализированное лицензионное программное обеспечение

Программа управления координатным столом Ateko; программа управления СО2 - лазером – макрос под CorelDraw12; программа автоматизации рентгеновских дифрактометров серии «ДРОН»

Текущая потребность в специализированном лицензионном программном обеспечении

Программа обработки дифрактограмм PDWin с базами данных по структурам неорганических и органических веществ, минералов и сплавов PDF.

Оценочная стоимость необходимого научного и лабораторного оборудования, средств вычислительной техники и программного обеспечения

32 000 000