Кинетика десорбции примесей при нагреве детонационного наноалмаза

ФИЗИКА

УДК 666.233

Д.Г. Богданов, С. В. Макаров, В.А. Плотников

Кинетика десорбции примесей

при нагреве детонационного наноалмаза

D.G. Bogdanov, S.V. Makarov, V.A. Plotnikov Desorption Kinetics at Heating of Detonation Nano-Diamond

Анализируется молекулярный состав летучих соединений детонационного наноалмаза. Показано, что основными летучими примесями являются вода, водород, азот, метан, углекислый газ, диоксид серы. В ходе отжига концентрация летучих соединений существенно снижается. Уменьшение массы образца может достигать 20% и сопровождается эндо- и экзотермическими эффектами.

Ключевые слова: детонационный наноалмаз, примесные атомы, концентрация примеси, десорбция примеси, масс-спектроскопия десорбированных веществ.

The research work analyzes molecular structure of volatile compounds of detonation nano-diamond. It is established that water, hydrogen, nitrogen, methane, carbonic gas, sulfur dioxide are the basic volatile impurities. Concentration of volatile compounds essentially decreases during annealing. The mass of the sample can be decreased by 20%. Weight reduction is accompanied by endo- and exothermic effects.

Key words: detonation nano-diamond, impurity atoms, impurity concentration, impurity desorption, mass-spectroscopy of the desorption particles.

Введение. В детонационном наноалмазе, помимо углерода, обнаружено значительное количество гетероатомов, содержание которых зависит от условий синтеза наноалмазов, очистки их и последующей обработки. В среднем наноалмаз состоит на 80-88% из углерода, который в основном находится в алмазной фазе. Имеются также кислород (10% и выше), водород (0.5-1,5%) азот (2-3%) и несгораемый остаток (0,5-8,0%), который состоит из оксидов, карбидов и солей различных элементов, таких как Бе, Т1, Сг, Си, К, Са, 81, 2п, РЬ и т.д. [1]. На поверхности частиц детонационного наноалмаза присутствуют различные молекулярные группы, наличие которых связано с особенностями технологии получения. Например, наноалмаз адсорбирует молекулярные структуры сильных кислот, которыми чистят исходный порошок. В этой связи не исключается присутствие элементов кислотных остатков, например серы, которая замещает удаляемые с поверхности наночастицы атомы примеси. Считается, что кислород, азот и водород входят в состав труд-ноудаляемых летучих примесей. Часть этих атомов обязательно находится в составе функциональных поверхностных групп, и они являются не примесями, а неотъемлемой частью надмолекулы наноалмазов. Функциональные группы можно разрушить, обменять на другие, но они всегда присутствуют на поверхности наноалмаза, так же как и на макрокристаллах и зернах порошков алмаза других типов. Фактически нанопродукт различных производителей под названием детонационный наноалмаз имеет существенно индивидуальный набор примесей, что

приводит к невоспроизводимости положительных свойств [2]. Поэтому существует проблема получения монофункционального слоя адсорбированных примесей, позволяющих применять детонационный наноалмаз в практических целях.

В то же время в связи со сложной системой примесей, адсорбированных на поверхности наночастиц алмаза, практическое применение их встречает трудности, обусловленные сложным комплексным характером влияния адсорбированных элементов на процессы взаимодействия наночастиц друг с другом, а также с молекулярными комплексами других веществ. В этой связи исследование процессов десорбции адсорбированных наночастицами алмаза примесных атомов является актуальной задачей.

Материалы и методика экспериментов. Детонационный наноалмаз, произведенный ФНПЦ «Алтай» по ТУ 84-112-87, имеет наночастицы, размером около 4 нм, склонные к агрегации и образованию цепочечных структур: первичных более прочных, размером 1-5 мкм, и вторичных менее прочных, размером до 200 мкм [1].

Образцы были подготовлены путем прессования таблеток диаметром 5 мм и толщиной около 1-2 мм на гидравлическом прессе усилием 1500 кг. Исследование кинетики десорбции проводили в Материа-ловедческом центре коллективного пользования при Томском государственном университете с помощью синхронного прибора термического анализа Ьихх 409, совмещенного с масс-спектрометром Ае1оБ 403 производства фирмы (Германия). Термическое

воздействие осуществлялось путем нагрева образца в атмосфере аргона со скоростью около 10 К/мин.

Кинетика десорбции примесей при нагреве детонационного наноалмаза

Масс-спектометрические данные

ш/2 2 16 17 18 28 36 44 64

Элемент или молекулярный остаток и2 О, СН4 НО Н2О N2 или СО Возможно Н28 СО2 802

Температурный о/~л интервал, С 680-900 180-320 530-780 40-200 40-200 840-870 690-820 До 480 500-820 200-580

Результаты экспериментов. На рисунке представлены зависимости изменения массы образца и теплосодержания при нагреве образца наноалмаза исходной массы 7,1 мг. С момента начала нагрева наблюдается заметный эндотермический эффект с максимальным значением около 0,3 мВт/мг при температуре 87 оС. Этому эффекту соответствует уменьшение массы образца примерно на 2%. При дальнейшем нагреве наблюдается значительное монотонное уменьшение массы величиной до 20%. Однако такому изменению массы соответствует хорошо выраженный немонотонный характер содержания тепла. В интервале 530-700 оС наблюдается экзотермический эффект с максимумом при 675 оС и величиной около 0,52 мВт/мг. При нагреве выше 700 оС и вплоть до 900 оС наблюдаются локальные экзоэффекты, свидетельствующие о дальнейшей эволюции примесной подсистемы.

Изменение массы (1) и тепла (2) в ходе нагрева образца наноалмаза

Как следует из данных таблицы (здесь приведены масс-спеткрометрические данные и температурные интервалы, в которых локализованы процессы десорбции молекулярных комплексов), процесс десорбции летучих соединений захватывает широкий температурный интервал 30-950 оС. Можно выделить несколько температурных интервалов, в кото-

рых наиболее активно идет процесс десорбции: низкотемпературный интервал 40-200 оС; среднетемпературные интервалы 180-320 и 530-780 оС, высокотемпературные интервалы 680-900 и 690820 оС соответственно. Характерно, что примерно этим температурным интервалам соответствуют эндо- и экзотермические эффекты, сопровождающие нагрев образцов.

Обсуждение экспериментальных результатов. Представленные в таблице результаты по десорбции летучих примесей в основном не противоречат известным литературным данным [2]. Отношение ш^ = 2 с максимумом в температурном интервале 680-900 оС, скорее всего, относится к водороду. Отношение ш^ =16 в температурном интервале 180-320 оС тоже может частично относиться к воде, а в температурном интервале 530-780 оС - к углеводородам, например СН4, но может быть и осколком углеводородной цепи. Отношения ш^ = 17 или 18 в температурном интервале 40-200 оС относятся к десорбции воды, они всегда дублируют друг друга. Отношение ш^ = 28 в интервале 690-820 оС соответствует десорбции молекул азота N2, но это могут быть и молекулы СО, что совпадает с выводами работы [2]. Отношение ш^ = 44 в температурном интервале 500-820 оС, вероятно, относится к десорбции углекислого газа СО2. Отношение ш^ = 64 в температурном интервале 200-580 оС, возможно, соответствует молекулам диоксида серы 802, в нашем случае это наиболее вероятное соединение, так как в процессе очистки детонационного алмаза используется серная кислота, а кислород является одной из основных примесей детонационного наноалмаза.

Заключение. Проведенное обсуждение масс-спектрометрических данных не является окончательным. Однако безусловно можно констатировать, что при нагревании детонационного наноалмаза в температурном интервале 300-1200 К с его поверхности удаляется значительная масса газов, а на термограммах наблюдаются эндо- и экзотермические эффекты.

Библиографический список

1. Кулакова И.И. Химия поверхности наноалмазов // ФТТ. - 2004. - Т. 46, №4.

2. Кощеев А.П. Термодесорбционная масс-спек-троскопия в свете решения проблемы паспортизации

и унификации поверхностных свойств детонационных наноалмазов // Российский хим. журнал. - 2008. -Т. Ь11, №5.