Патент на изобретение №2344022

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ СПЛАВА ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ С ЖЕЛЕЗОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам получения наночастиц сплава платиновых металлов с железом. Способ включает электрохимическое растворение сплава железо-платиновый металл при контролируемом значении анодного потенциала от +0,1 до +0,6 В с получением наночастиц размером 0,5-10 нм в виде нерастворенного осадка с содержанием железа до 40% от массы осадка. При электрохимическом растворении сплава железо-платиновый металл с содержанием платинового металла до 10 мас.% в сульфатно-хлоридном растворителе для получения наночастиц рамером 5-10 нм с содержанием железа до 40% от массы осадка устанавливают значение анодного потенциала +0,1 В, а для получения наночастиц размером 0,5-5 нм с содержанием железа до 10% от массы осадка – до +0,6 В. При электрохимическом растворении сплава железо-платина-палладий-родий-иридий с содержанием платины – 2,5%, палладия – 2,5%, родия – 2,5%, иридия – 2,5% от массы сплава для получения наночастиц размером 1-5 нм с содержанием железа 10% от массы осадка устанавливают значение анодного потенциала +0,6 В. Технический результат – возможность, регулируя потенциал анода, получать наночастицы необходимого состава и строения. 3 з.п. ф-лы.

Способ получения наночастиц платиновых металлов с железом относится к электрохимическим способам получения наночастиц платиновых металлов с железом. Полученные наночастицы типа Fe-Pt, Fe-Pd могут быть использованы как материалы для магнитной записи информации.

Известны способы получения наночастиц платиновых металлов методами восстановления солей соответствующих ионов платиновых металлов (С.П.Губин, Г.Ю.Юров, Н.А.Катаева. Наночастицы благородных металлов и материалы на их основе. РАН М 2006, стр.18-32). Однако введение в состав наночастиц благородных металлов железа представляет определенные трудности из-за большой разницы стандартных потенциалов платиновых металлов (+1,2 В) и железа (-0,44 В).

Наиболее близким к заявленному способу является патент 2233791 «Способ получения наночастиц и изготовления материалов и устройств, содержащих наночастицы» авторов Губина С.П. и Хомутова Т.Б. Этот способ включает проведение процессов синтеза частиц и формирования материалов, содержащих наночастицы, при этом синтез наночастиц проводится в молекулярном слое на поверхности жидкой фазы под действием химических воздействий или химических и физических воздействий, или их комбинаций, что позволяет получить анизотропные наночастицы.

Однако предложенный способ не позволяет надежно контролировать получение частиц определенного состава и размера. Синтез наночастиц проводится в мономолекулярном слое на границе раздела жидкость – газовая фаза, поэтому на размер и состав частиц будут оказывать влияние состав жидкой фазы, температура, степень сжатия. Контроль всех этих факторов – сложная задача, что может привести к отклонению состава и свойств частиц от заданных значений. Особенно затруднительно осуществлять контроль за содержанием железа в получаемых наночастицах.

Задачей настоящего изобретения является получение наночастиц регулируемого состава, особенно по железу, и размера.

Указанный технический результат достигается путем электрохимического растворения сплавов железа и платиновых металлов при контролируемом значении анодного потенциала, что позволяет получить наночастицы платиновых металлов с железом необходимого строения и состава.

При этом анодный потенциал растворения выбирают ниже потенциала растворения микроучастков платиновых металлов в кристаллической решетке сплава и получают наночастицы платиновых металлов и железа в виде нерастворимого осадка (анодного шлама). Содержание платиновых металлов в сплаве составляет не более 10% массы сплава. Растворение осуществляют в кислом сульфатно-хлоридном растворителе и используют сплав железо-платиновый металл, при этом для получения наночастиц размером 5-10 нм и с содержанием железа до 40% от массы осадка устанавливают анодный потенциал растворения до +0,1 В, для получения наночастиц 1,0-5,0 нм устанавливают анодный потенциал до+0,6 В. Для получения наночастиц размером 1,0-5,0 нм, содержащих несколько платиновых металлов одновременно, и с содержанием железа 10% от массы осадка растворяют сплав железо-платина-палладий-родий-иридий с содержанием платины – 2,5%, палладия 2,5%, родия – 2,5%, иридия 2,5% массы сплава при значении анодного потенциала +0,6 В.

Способ основан на том, что при сплавлении железа и платиновых металлов образуется непрерывный ряд твердых растворов с кристаллическими решетками замещения, т.е. атомы платиновых металлов замещают атомы железа в их кристаллической решетке, что приводит к образованию в решетке сплава микроучастков с более положительным потенциалом растворения (И.П.Масленицкий, Л.В.Чугаев, В.Ф.Борбат и др. Металлургия благородных металлов. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1987 г., стр. 393-398). Металлы в этих зонах не растворяются при потенциале работающего анода и выпадают в нерастворимый осадок (шлам), представляющий собой наночастицы платиновых металлов с железом. В процессе дополнительных исследований авторами заявленного изобретения установлено, что в зависимости от заданного потенциала растворения можно получить наночастицы необходимых строения, состава, размеров и свойств.

Размеры частиц от 0,5 нм до 30 нм. Форма частиц – сфероидальная. При нагревании до температуры выше 200°С рентгеноаморфные наночастицы переходят в четко выраженные кристаллические структуры. В рентгеноэлектронных спектрах отсутствует наличие кислорода на поверхности получаемых наночастиц.

Предлагаемый способ позволяет получить наночастицы как одного платинового металла, так и всех платиновых металлов (Pt+Pd+Rh+Ir+Os) при различном, в зависимости от потенциала, содержании железа в наночастицах.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. 100 г сплава железо-платина с содержанием платины 10% растворяли в качестве анода в кислом сульфатно-хлоридном электролите (Н₂SO₄ – 200 г/л, HCl^– 5 г/л), катодом служила платиновая пластина. Потенциал растворения +0,1 В. В результате растворения получено 14,6 г шлама. Состав полученных наночастиц – 60% платины и 39% железа. Размеры частиц, установленные на электронном микроскопе, – 5-10 нм.

Пример 2. 100 г сплава железо-платина с содержанием платины 10% растворяли в качестве анода в кислом сульфатно-хлоридном электролите того же состава при потенциале анода +0,6 В. Получено 11,15 г рентгеноаморфного шлама. Размеры наночастиц, установленные на электронном микроскопе – 1,0-5,0 нм. Состав – 90% платины и 9,0% железа.

Пример 3. 100 г сплава железо-палладий с содержанием палладия 10% растворяли в качестве анода в кислом сульфатно-хлоридном электролите того же состава при потенциале анода +0,6 В. Получено 11,1 г рентгеноаморфного шлама. Размеры наночастиц, установленные на электронном микроскопе – 0,5-4,0 нм. Состав наночастиц 90% палладия, 9,5% железа.

Пример 4. 100 г сплава железо-платина-палладий-родий-иридий с содержанием: платина – 2,5%, палладий – 2,5%, родий – 2,5%, иридий 2,5% растворяли в тех же условиях, что и в предыдущих опытах при значении анодного потенциала +0,6 В. Получено 11,1 г рентгеноаморфного шлама. Размеры наночастиц, установленные на электронном микроскопе – 1,0-5,0 нм. Состав – 90% платиновых металлов и 10% железа.

Таким образом, анализ приведенных примеров показывает, что способ получения наночастиц анодным растворением сплавов железа и благородных металлов позволяет получить наночастицы различных размеров и состава в зависимости от потенциала анода.

Формула изобретения

1. Способ получения наночастиц платиновых металлов с железом, в частности наночастиц Fe-Pt, Fe-Pd, отличающийся тем, что проводят электрохимическое растворение сплава железо – платиновый металл при контролируемом значении анодного потенциала от +0,1 до +0,6 В с получением нерастворенного осадка из наночастиц размером 0,5-10 нм с содержанием железа до 40% от массы осадка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят электрохимическое растворение сплава железо – платиновый металл с содержанием платинового металла до 10 мас.% в сульфатно-хлоридном растворителе при установлении значения анодного потенциала +0,1 В для получения наночастиц рамером 5-10 нм с содержанием железа до 40% от массы осадка.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят электрохимическое растворение сплава железо – платиновый металл с содержанием платинового металла до 10 мас.% в сульфатно-хлоридном растворителе при установлении значения анодного потенциала до +0,6 В для получения наночастиц рамером 0,5 – 5 нм с содержанием железа до 10% от массы осадка.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят электрохимическое растворение сплава железо-платина-палладий-родий-иридий с содержанием платины 2,5%, палладия 2,5%, родия 2,5%, иридия 2,5% от массы сплава в сульфатно-хлоридном растворителе при установлении значения анодного потенциала +0,6 В для получения наночастиц размером 1-5 нм с содержанием железа 10% от массы осадка.