Синтез наноразмерного пентаборида димолибдена при взаимодействии аморфного бора с молибденом в ионных расплавах
- Авторлар: Винокуров А.А.1, Дремова Н.Н.1, Иванов А.В.1, Шилкин С.П.1
-
Мекемелер:
- Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук
- Шығарылым: Том 60, № 7 (2024)
- Беттер: 889-895
- Бөлім: Articles
- URL: https://bakhtiniada.ru/0002-337X/article/view/288170
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X24070135
- EDN: https://elibrary.ru/LQPIZT
- ID: 288170
Дәйексөз келтіру
Толық мәтін
Аннотация
Разработана новая методика синтеза наноразмерного пентаборида димолибдена взаимодействием активированных в аргоне механохимическим способом порошка молибдена с аморфным бором, взятых в мольном соотношении 2 : 5, в ионных расплавах солей различного состава при температурах 750, 800 и 850°С в атмосфере водорода. Методами рентгенофазового, рентгеноспектрального, синхронного термического и элементного анализов, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, измерения удельной поверхности показано, что применение ионных расплавов позволяет получать однофазные, близкие к сферическим частицы Mo2B5 со средним диаметром ~30 нм только при времени взаимодействия не менее 28 ч. Частицы кристаллизуются в ромбоэдрической сингонии с параметрами элементарной ячейки a = 0.3007–0.3015 нм, с = 2.090–2.095 нм.
Негізгі сөздер
Толық мәтін
ВВЕДЕНИЕ
Бориды переходных металлов и композиты на их основе, включая бориды молибдена, обладают высокими температурами плавления, твердостью, прочностью, износоустойчивостью, химической и коррозионной стойкостью, в силу чего рассматриваются как перспективные материалы для нужд различных областей промышленности [1–7].
На диаграмме состояния системы Mo–B обнаружены шесть фаз: Mo2B, Mo3B2, α- и β-MoB, MoB2, Mo2B5. Самой стабильной из них является кристаллический пентаборид димолибдена (Mo2B5) с дефектной структурой и областью гомогенности 70–71.4 ат. % бора [1, 5, 8, 9]. Литературные данные свидетельствуют о сложностях получения индивидуальных боридов молибдена – как правило, получается их смесь (например, [10, 11]).
Так, компактный или микрокристаллический однофазный пентаборид димолибдена может быть получен только при температурах выше 1000°С: например, взаимодействием MoO3, карбида бора и углерода (в виде сажи) в вакууме при 1200–1300°С или порошков молибдена и бора в атмосфере водорода при 1500–1800°С. Известны также способы его получения при нагревании в атмосфере водорода смеси молибдена с оксидом и карбидом бора при температуре 2000°С или методом СВС [1, 12, 13]. Аппаратурное оформление указанных методик простое, но температуры получения боридов молибдена очень высокие.
Нанокристаллические тугоплавкие материалы по сравнению с компактными или микрокристаллическими аналогами обладают более высоким уровнем физико-химических, механических и других свойств [3]. В связи с этим актуальными становятся исследования по разработке новых эффективных методик получения однофазных наноразмерных боридов молибдена.
В литературе имеются крайне скудные сведения о способах получения однофазного Mo2B5 в высокодисперсном или наноразмерном состоянии. В отличие от боридов IV–V групп, однофазный Mo2B5 не может быть получен из элементов классическим механохимическим способом (шаровая планетарная мельница, скорость вращения 650 об./мин, шары из карбида вольфрама диаметром 20 мм, шаровая загрузка 7.5–20, время обработки 10–40 ч в атмосфере аргона). Для получения однофазных боридов молибдена необходим дополнительный отжиг образцов в вакууме при 1000–1400°С [14, 15]. Методика простая, однако при длительной механохимической обработке конечный продукт загрязняется материалом шаров и камеры мельницы. В работе [16] сообщается, что биполярная электрохимическая обработка микрокристаллического Mo2B5, помещенного в электрохимическую ячейку с 0.5 М водным раствором Na2SO4 при напряжении 3 В на время 1800 с, уменьшает размер частиц микрокристаллического Mo2B5 до нанометрового диапазона. Механизм этого явления неясен и не изучен. Методом высокотемпературного электрохимического синтеза в смеси ионных расплавов NaCl, Na3AlF6, MoO3, B2O3 при 1223 K и напряжении 4.0 В также может быть получен высокодисперсный Mo2B5 вместе с другими боридами молибдена [17]. Размер частиц боридов в оригинальной работе не указан.
Все существующие методики синтеза боридов переходных металлов, включая и промышленные, энергозатратны (температура их получения 1000°С и выше).
Целью настоящей работы является создание новой методики получения однофазного наноразмерного Mo2B5, основанной на явлении “бестокового” переноса бора на металл в ионных расплавах при температурах ниже 1000°С [18, 19].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исходные реагенты. В работе использовали промышленные порошки аморфного бора марки Б 99А (чистотой 99.8 мас. %) и молибдена марки МПЧ (чистотой 99.7 мас. %), хлориды и бромиды натрия и калия квалификации “х.ч.”, аргон высокой чистоты – 99.998%. Бромиды и хлориды натрия, калия и их смеси непосредственно перед синтезом вакуумировали до остаточного давления 0.13 Па при 300°С. Безводный тетраборнокислый натрий получали обезвоживанием товарного Na2B4O7 · 5H2O квалификации “х.ч.” в вакууме 0.13 Па при 350°С. Источником водорода с чистотой не менее 99.999% служил автономный лабораторный генератор водорода, содержащий в качестве рабочего материала гидридные фазы на основе интерметаллидов TiFe и LaNi5 [20, 21].
Методы анализа. Рентгенофазовый анализ (РФА) полученного Mo2B5 проводили на дифрактометре PANalytical AERIS. Регистрацию дифрактограмм вели в режиме пошагового сканирования на излучении CuKα в интервале углов 2θ 20°–110° с шагом съемки 0.02° и экспозицией 4 с в точке. Для расчета размера кристаллитов – областей когерентного рассеяния (ОКР) использовали метод вторых моментов.
Термическую стабильность Mo2B5 исследовали методом синхронного термического анализа с масс-спектрометрическим анализом продуктов разложения на термоанализаторе Netzch STA 409 PC Luxx и массспектрометре QVS 403 C Aeolos при линейном нагреве навески образца со скоростью 10°С/мин в потоке аргона высокой чистоты при температурах от 20 до 1000°С.
Электронно-микроскопические исследования и рентгеноспектральный анализ пентаборида димолибдена осуществляли на комплексе приборов, состоящем из автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Zeiss Supra 25 и рентгеноспектральной установки INCA Х-sight. Электронно-микроскопические изображения получали при низких ускоряющих напряжениях электронного пучка (4 кВ). При таких ускоряющих напряжениях вклад в регистрируемый сигнал от подложки минимален либо отсутствует. Рентгеноспектральный анализ осуществляли при ускоряющем напряжении 8 кВ.
Рентгеновские фотоэлектронные спектры (РФЭС) регистрировали на электронном спектрометре для химического анализа PHOIBOS 150 MCD.
Удельную поверхность образцов Mo2B5 находили по величине низкотемпературной адсорбции криптона после удаления из твердой фазы летучих примесей в вакууме 1.33 × 10–3 Па при 100°С и рассчитывали по методу БЭТ. Площадь, занимаемую адсорбированной молекулой криптона, принимали равной 19.5 × 10–20 м2 [22]. Относительная погрешность определения не превышала 10%. Из данных измерения удельной поверхности Sуд проводили оценку размера частиц Mo2B5 в предположении их сферической формы по формуле dx = 6 / (γ × Sуд), где dx – диаметр частиц, γ – рентгеновская плотность Mo2B5, равная 7.45 г/см3.
Содержание водорода и кислорода определяли на CHNS/O-элементном анализаторе Elementar Vario EL cube. Содержание хлорид- и бромид-ионов, бора и молибдена определяли по стандартным аналитическим методикам, а также рентгеноспектральным методом.
Методика эксперимента. Порошки молибдена и аморфного бора в мольном отношении 2 : 5 активировали в планетарной шаровой мельнице Pulverisette 6 (шары из ZrO2 диаметром 10 мм, шаровая загрузка 1 : 10, скорость вращения 400 об./мин, время обработки 20 мин) в атмосфере аргона при комнатной температуре. Полученную смесь порошков Mo (4.79 г) и B (1.35 г) вместе с навесками KCl, KBr, Na2B4O7 и 50 мол. % NaCl–50 мол. % KCl (по 19.0 г) загружали в кварцевую ампулу, которую помещали в реактор-автоклав из нержавеющей стали с внутренним диаметром 30 мм и длиной 200 мм. Реактор вакуумировали до остаточного давления 0.13 Па, заполняли водородом под давлением 0.2–1.5 МПа и проводили изотермический отжиг, режимы которого приведены в табл. 1. Температуру синтеза в интервале 750–850°С по аналогии с [19] выбирали исходя из температур плавления ионных расплавов ─ она должна быть несколько выше температур их плавления. В настоящей работе при проведении реакции взаимодействия молибдена с бором в ионных расплавах в качестве активной защитной среды применялся водород. Повышенное давление водорода в реакторе должно исключить возможный контакт расплава с воздухом. После охлаждения реактора до комнатной температуры водород сбрасывался, и реактор заполнялся аргоном. После вскрытия реактора полученный спек измельчали механическим способом в агатовой ступке, а затем обрабатывали охлажденной до 4°С дистиллированной водой, этиловым спиртом, ацетоном и вакуумировали до остаточного давления 0.13 Па при 50°С.
Таблица 1. Результаты и условия взаимодействия предварительно активированной смеси порошков молибдена и аморфного бора в различных ионных расплавах
Ионный расплав | Температура реакции, °С | Время реакции, ч | Давление водорода, МПа | Химический состав продуктов реакции | Фазовый состав продуктов реакции | Периоды кристаллической решетки, нм | |
a | c | ||||||
KBr | 750 | 20 | 1.5 | Mo2B4.989 O0.01 | Mo + Mo2B5 | 0.3145 0.3015 | – 2.095 |
24 | 1.5 | Mo2B4.989 O0.01 | Mo + Mо2B5 | 0.3144 0.3014 | – 2.094 | ||
28 | 1.5 1 0.2 | Mo2B4.990 O0.01 Mo2B4.987O0.008 Mo2B4.987O0.008 | Mo2B5 Mo2B5 Mo2B5 | 0.3010 0.3012 0.3008 | 2.093 2.090 2.091 | ||
50 мол. % NaCl–50 мол. % KCl | 750 | 20 | 1 | Mo2B4.985 O0.012 | Mo + Mo2B5 | 0.3146 0.3006 | – 2.092 |
4 | 0.2 | Mo2B4.991O0.009 | Mo + Mo2B5 | 0.3148 0.3014 | – 2.095 | ||
28 | 0.5 | Mo2B4.994 O0.007 | Mo2B5 | 0.3009 | 2.092 | ||
32 | 0.2 | Mo2B4.995O 0.01 | Mo2B5 | 0.3013 | 2.094 | ||
KCl | 800 | 28 | 0.2 | Mo2B4.995 O0.008 | Mo2B5 | 0.3011 | 2.091 |
850 | 32 | 0.2 | Mo2B4.993 O0.009 | Mo2B5 | 0.3007 | 2.093 | |
Na2B4O7 | 800 | 28 | 0.2 | Mo2B4.990 O0.007 | Mo2B5 | 0.3013 | 2.092 |
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Выделенный из реакционной смеси после отмывки от солей серый порошок, по результатам химического и рентгеноспектрального анализов, имел валовый состав Mo2B4.990–4.995O0.007–0.01. Следов водорода, бромид- и хлорид-ионов в нем не обнаружено. РФА выделенного продукта (рис. 1) свидетельствует об однофазности порошка Mo2B5 и необходимости времени взаимодействия не менее 28 ч для всех используемых расплавов (табл. 1). При меньшей длительности взаимодействия (20 и 24 ч) в составе порошка наряду с основной фазой Mo2B5 присутствует Mo.
Рис. 1. Дифрактограмма наночастиц Mo2B5, полученных в ионном расплаве KBr.
Пентаборид димолибдена кристаллизуется в ромбоэдрической сингонии с параметрами элементарной ячейки (табл. 1), близкими к данным дифракционной базы ICDD (PDF–2, card # 06–0228). Обнаруженное незначительное количество кислорода в порошке Mo2B5, по данным РФЭС, находится в поверхностных слоях наночастиц в виде оксида бора или борной кислоты (B1s – 193.4 эВ) и триоксида молибдена (Mo 3d5/2 – 235.7 эВ); для Mo2B5: B1s – 188.5 эВ, Mo3d5/2 – 228.6 эВ. Эти значения согласуются с данными [23–25] для B2O3 (H3BO3), MoO3 и Mo2B5.
При нагревании в атмосфере аргона полученный наноразмерный пентаборид димолибдена термически стабилен до 1000°С и не испытывает фазовых превращений, связанных с выделением либо поглощением тепла или с изменением массы.
Давление водорода в рассмотренных пределах (0.2–1.5 МПа) не влияет на фазовый и химический составы полученного пентаборида димолибдена. На риc. 2 представлена характерная микрофотография наночастиц Mo2B5. По данным СЭМ, форма частиц пентаборида димолибдена близка к сферической, что характерно для соединений, полученных в результате прохождения химической реакции. Частицы в значительной степени агломерированы. Оценки эквивалентного диаметра частиц Mo2B5, полученные из данных СЭМ и из результатов измерений удельной поверхности, дают близкие значения средних размеров частиц. В табл. 2 сопоставлены средние диаметры частиц Mo5B2, оцененные из данных электронно-микроскопических исследований, профильного анализа дифрактограмм, а также по результатам измерения удельной поверхности. Как следует из представленных данных, химический состав и природа ионного расплава не влияют на размер и форму частиц Mo2B5: во всех рассмотренных случаях он близок к 30 нм. Размер ОКР Mo2B5 оказался в два раза ниже – ~ 13–16 нм, т.е. частицы порошка Mo2B5 состоят из нескольких кристаллитов.
Рис. 2. Электронная микрофотография наночастиц Mo2B5, полученных в ионном расплаве KBr.
Таблица 2. Средний диаметр частиц, полученных при взаимодействии Mo и В в мольном соотношении 2 : 5 при температурах 750–850°C, давлении водорода 0.2–1.5 МПа и времени взаимодействия 28 ч в различных ионных расплавах
Ионный расплав | Средний диаметр частиц, оцененный из данных СЭМ, нм | ОКР Dhkl, нм | Средний диаметр частиц, оцененный из Sуд, нм |
KBr | ~ 32 | ~ 15 | ~ 30 (Sуд = 27 м2/г) |
50 мол. % NaCl–50 мол. % KCl | ~ 30 | ~ 14 | ~ 32 (Sуд = 25 м2/г) |
KCl | ~ 28 | ~ 13 | ~ 31 (Sуд = 26 м2/г) |
Na2B4O7 | ~ 33 | ~ 16 | ~ 34 (Sуд = 24 м2/г) |
Таким образом, наблюдаемое явление переноса B на Mo в ионных расплавах KCl, KBr, Na2B4O7 и 50 мол. % NaCl–50 мол. % KCl, согласно данным [18, 19], можно объяснить образованием ионов низшей валентности B2+ по схеме
(1)
и затем их взаимодействием с Mo с образованием Mo2B5 по схеме
. (2)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемая методика синтеза пентаборида димолибдена по сравнению с рассмотренными выше способами получения, например механохимическим и прямым взаимодействием молибдена и бора, сочетает в себе их преимущества и лишена большинства их недостатков. Кратковременная активация смеси порошков молибдена и бора в планетарной шаровой мельнице и применение ионных расплавов KCl, KBr, Na2B4O7 и 50 мол. % NaCl–50 мол. % KCl в качестве среды для синтеза Mo2B5 из порошков Mo и B в атмосфере водорода позволяют снизить температуру синтеза и получать однофазный пентаборид димолибдена с наночастицами, близкими к сферическим, со средним диаметром ~ 30 нм.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках темы Государственного задания ФИЦ ПХФ и МХ РАН (рег. номер 124013000692-4) с использованием оборудования АЦКП ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Авторлар туралы
А. Винокуров
Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: ssp@icp.ac.ru
Ресей, пр. Академика Семенова, 1, Черноголовка, Московская обл., 142432
Н. Дремова
Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук
Email: ssp@icp.ac.ru
Ресей, пр. Академика Семенова, 1, Черноголовка, Московская обл., 142432
А. Иванов
Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук
Email: ssp@icp.ac.ru
Ресей, пр. Академика Семенова, 1, Черноголовка, Московская обл., 142432
С. Шилкин
Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук
Email: ssp@icp.ac.ru
Ресей, пр. Академика Семенова, 1, Черноголовка, Московская обл., 142432
Әдебиет тізімі
- Серебрякова Т.И., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды. Челябинск: Металлургия, 1991. 368 с.
- Carenco S., Portehault D., Boissiere C., Mezailles N., Sanchez C. Nanoscaled Metal Borides and Phosphides: Recent Developments and Perspectives // Chem. Rev. 2013. V. 113. № 10. P. 7981–8065. https://doi.org/10.1021/cr400020d
- Andrievski R.A., Khatchoyan A.V. Nanomaterials in Extreme Environments, Fundamentals and Applications. Berlin: Springer, 2016. 107 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-25331-2
- Jothi P.R., Zhang Y., Scheifers J.P., Park H., Fokwa B.P.T. Molybdenum Diboride Nanoparticles as a highly Efficient Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction // Sustainable Energy Fuels. 2017. V. 1. P. 1928–1934. https://doi.org/10.1039/c7se00397h
- Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат, 1975. 376 с.
- Yamauchi A., Yoshimi K., Kurokawa K., Hanada S. Synthesis of Mo–Si–B in Situ Composites by Mechanical Alloying // J. Alloys Compd. 2007. V. 434–435. P. 420–423. 10.1016/j.jallcom.2006.08.218' target='_blank'>https://doi.org/doi: 10.1016/j.jallcom.2006.08.218
- Kuznetsov S.A., Rebrov E.V., Mies Martijn J.M., de Croon Mart H.J.M., Jaap Schouten Jaap C. Synthesis of Protective Mo–Si–B Coatings in Molten Salts and Theiroxidation Behavior in an Air–Water Mixture // Surface Coat. Technol. 2006. V. 201. P. 971–978. 10.1016/j.surfcoat.2006.01.003' target='_blank'>https://doi.org/doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.01.003
- Портной К.И., Ромашов В.М. Бинарные диаграммы состояния ряда элементов с бором // Порошковая металлургия. 1972. № 5. С. 48–56.
- Портной К.И., Левинский Ю.В., Ромашов В.М., Мордвин О.А., Левинская М.Х. Диаграмма состояния системы молибден–бор // Изв. АН СССР. Металлы. 1967. № 4. С.171–178.
- Li Y., Fan Y., Chen Y. A Novel Route to Nanosized Molybdenum Boride and Carbide and/or Metallic Molybdenum by Thermo-Synthesis Method from MoO3, KBH4, and CCl4 // J. Solid State Chem. 2003. V. 170. P. 135–141.
- Camurlu H.E. Preparation of Single Phase Molybdenum Boride. // J. Alloys Compd. 2011. V. 509. P. 5431–5436. https://doi. org/10.1016/j.jallcom.2011.02.083
- Klesnar H., Aselage T.L., Morosin B., Kwei G.H., Lawson A.G. The Diboride Compounds of Molybdenum: MoB2–x and Mo2B5–y // J. Alloys Compd. 1996. V. 241. P. 180–186.
- Горшков В.А., Сачкова Н.В., Хоменко Н.Ю. Получение литого Mo2B5 методом СВС-металлургии // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 11. С. 1256–1262. https://doi.org/10.1134/S0002337X18120059
- Kudaka K., Iizumi K., Sasaki T., Okada S. Mechanochemical Synthesis of MoB2 and Mo2B5 // J. Alloys Compd. 2001. V. 315. P. 104–107.
- Макаренко Г.Н., Крушинская Л.А., Тимофеева И.И., Мацера В.Е., Васильковская М.А., Уварова И.В. Особенности формирования диборидов переходных металлов IV–VI в процессе механохимического синтеза // Порошковая металлургия. 2014. № 9/10. С. 24–32.
- Wang Y., Mayorga-Martinez C.C., Chia X., Sofer, Latiff N.M., Pumera M. Bipolar Electrochemistry as a Simple Synthetic Route toward Nanoscale Transition of Mo2B5 and W2B5 for Enhanced Hydrogen Evolution Reaction // ACS Sustainable Chem. Eng. 2019. V. 7. № 14. P. 12148–12159. https://doi. org/10.1021/acssuschemeng.9b01251
- Malyshev V.V., Kushkhov H.B., Shapoval V.I. High-Temperature Electrochemical Synthesis of Carbides, Silicides and Borides of VI-Group Metals in Ionic Melts // J. Appl. Electrochem. 2002. V. 32. P. 573–579.
- Илющенко Н.Г., Анфиногенов А.И., Шуров Н.И. Взаимодействие металлов в ионных расплавах. М.: Наука, 1991. 176 с.
- Винокуров А.А., Ковалев Д.Ю., Нигматуллина Г.Р., Коробов И.И., Дремова Н.Н., Калинников Г.В., Иванов А.В., Шилкин С.П. Образование наночастиц диборида тантала при взаимодействии аморфного бора с танталом в ионных расплавах // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 6. С. 597–602. https://doi.org/10.31857/S0002337X23060052
- Фокин В.Н., Троицкая С.Л., Фокина Э.Э., Румынская З.А., Шилкин С.П. О взаимодействии гидрида титана с кислородом // Журн. общ. химии. 1992. Т. 62. Вып. 8. С. 1719–1725.
- Фокин В.Н., Фокина Э.Э., Шилкин С.П. Синтез гидридов некоторых металлов в крупнокристаллическом состоянии // Журн. общ. химии. 1996. Т. 66. Вып. 8. С. 1249–1252.
- Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии / Под ред. Киселева А.В. и Древинга В.П. М.: Изд-во МГУ, 1973. 447 с.
- Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy / Eds. Wagner C.D. et al. Minnesota: Eden Prairie,1979. 192 p.
- Baltrusaitis J., Mendoza-Sanchez B., Fernandez V., Veenstra R., Dukstiene N., Roberts A., Fairley N. Generalized Molybdenum Oxide Surface Chemical State XPS Determination Via Informed Amorphous Sample Model // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 326. P. 151–161. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.11.077
- Алешин В.Г., Харламов А.Н., Чудинов М.Г. Изучение поверхностного состояния тугоплавких соединений методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии// Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1979. Т. 15. № 4. С. 672–676.
