Состав и структура нанокристаллических частиц «ядро–оболочка» на основе титан-молибденовых карбидов, полученных в условиях плазмохимического синтеза

Приведены сведения о составе и структуре нанокристаллических частиц, сформированных в процессе плазмохимического синтеза механических смесей, содержащих в своем составе TiC, Мо и Co, по схеме плазменной переконденсации. В качестве плазмообразующего газа и газа-охладителя использовался азот. Основной целью работы являлось изучение структурных особенностей и локализаций в нанокристаллических структурах TiC–Mo и TiC–Mo–Co карбида Mo₀,₄₂C_0,58. В результате исследований методами рентгенографии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения было установлено, что карбид молибдена Mo_0,42C_0,58 орторомбической модификации присутствует во всех фракциях переконденсированных механических смесей TiC–Mo и TiC–Mo–Co. С использованием электронной микроскопии на примере нанокристаллических фракций TiC–Mo и однократно переконденсированной смеси TiC–Mo–Co из тканевого фильтра рукавного типа проиллюстрировано наличие структур «ядро–оболочка», в которых тугоплавкие ядра представлены титан-молибденовыми карбидами Ti1–nMonCx, а в состав высококонтрастных металлических оболочек входят Mo, Mo₀,₄₂C₀,₅₈ и Co. Там же на электронно-микроскопических изображениях показана локализация орторомбического Mo₀,₄₂C₀,₅₈. Согласно полученным результатам можно заключить, что формирование структур «ядро–оболочка» происходит в процессе экстремального воздействия в виде плазмохимического синтеза механических смесей TiC–Mo и TiC–Mo–Co в низкотемпературной азотной плазме. При этом следует добавить, что кристаллизация нанокристаллических композиций со структурой «ядро–оболочка» осуществляется в тангенциальном потоке азота со скоростью охлаждения 105 °С/с с последующей сепарацией продуктов на ультра- и нанодисперсные фракции в циклоне вихревого типа и тканевом фильтре рукавного типа.

1. Guardia-Valenzuela J., Bertarelli A., Carra F., Mariani N., Bizzaro S., Arenal R. Development and properties of high thermal conductivity molybdenum carbide — graphite composites. Carbon. 2018. Vol. 135. P. 72—84. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.04.010.

2. Jeon J., Park Y., Choi S., Lee J., Lim S. S., Lee B. H., Song Y.J., Cho J. H., Jang Y. H., Lee S. Epitaxial synthesis of molybdenum carbide and formation of a Mo2C/MoS2 hybrid structure via chemical conversion of molybdenum disulfide. ACS Nano. 2018. Vol. 12. No. 1. P. 338—346. DOI: 10.1021/acsnano.7b06417.

3. Bertarelli A., Carra F., Garlasche M., Gradassi P., Valenzuela J. G., Sgobba S., Tsarfati T. Innovative MoC — graphite composite for thermal management and thermal shock applications. In: 31st Thermal Measurement, Modeling & Management Symposium (15—19 March 2015). San Jose, CA, USA: IEEE, P. 56—59. DOI: 10.1109/SEMITHERM.2015.7100140/

4. Wu Z., Wang J., Liu R., Xia K., Xuan C., Guo J., Lei W., Wang D. Facile preparation of carbon sphere supported molybdenum compounds (P, C and S) as hydrogen evolution electrocatalysts in acid and alkaline electrolytes. Nano Energy. 2017. Vol. 32. P. 511—519. DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.01.014.

5. Quiroz J., Mai E.F., Teixeira da Silva V. Synthesis of nanostructured molybdenum carbide as catalyst for the hydrogenation of levulinic acid to γ-valerolactone. Top. Catal. 2016. Vol. 59. P. 148—158. DOI: 10.1007/s11244-015-0433-6.

6. Wang H., Yu Y., Wei J., Yu X., Chen G., Ma J., Xing S. Mo0.42C0.58 nanoparticles embedded in nitrogen-doped carbon as electrocatalyst towards oxygen reduction reaction. 2018. Vol. 3. P. 5106—5112. DOI: 10.1002/slct.201800745.

7. Turnlund J.R., Friberg L.T. Handbook on the toxicology of metals. Ch. 34. Molybdenum (Eds. G.F. Nordberg, B.A. Fowler, M. Nordberg, L.T. Friberg). Academic Press, Elsevier, 2007. P. 731—741. DOI: 10.1016/B978-0-12-369413-3.X5052-6.

8. Jones E.S., Mosher C.J.F., Speiser R., Spretnak J.W. The oxidation of molybdenum. Corrosion. 1958. Vol. 14. P. 20—26. DOI: 10.5006/0010-9312-14.1.20.

9. Kurt J. Lesker Company. Molybdenum oxide (MoO3) pellets evaporation materials. URL: https://www.lesker.com/newweb/deposition_materials/depositionmaterials_evaporationmaterials_1.cfm?pgid=moo3 (accessed: 09.11.2021).

10. Schönberg N. The tungsten carbide and nickel arsenide structures. Acta Metal. 1954. Vol. 2. P. 427—432. DOI: 10.1016/0001-6160(54)90062-0.

11. Schönberg N. Contributions to the knowledge of the molybdenum-nitrogen and the tungsten-nitrogen systems. Acta Chem. Scand. 1954. Vol. 8. P. 204—207. DOI: 10.3891/acta.chem.scand.08-0204.

12. Schönberg N. An X-ray investigation on ternary phases in the Ta—Me—N systems (Me = Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Acta Chem. Scand. 1954. Vol. 8. P. 213—220. DOI: 10.3891/acta.chem.scand.08-0213.

13. Schuster J.C., Nowotny H. Molybdän- und molybdänwolfram-carbide im nemperaturbereich von 600—1600 °C. Monatsh. Chem. 1979. Vol. 110. P. 321—333. DOI: 10.1007/BF00911920.

14. Kang Q., He X., Ren S., Zhang L., Wu M., Liu T., Liu Q., Guo C., Qu X. Preparation of high thermal conductivity copper—diamond composites using molybdenum carbide-coated diamond particles. J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. P. 6133—6140. DOI: 10.1007/s10853-013-7409-3.

15. Hugosson H.W., Eriksson O., Nordström L., Jansson U., Fast L., Delin A., Wills J.M., Johansson B. Theory of phase stabilities and bonding mechanisms in stoichiometric and substoichiometric molybdenum carbide. J. Appl. Phys. 1999. Vol. 86. No. 7. P. 3758—3767. DOI: 10.1063/1.371284.

16. Dos Santos Politi J.R., Viñes F., Rodriguez J.A., Illas F. Atomic and electronic structure of molybdenum carbide phases: bulk and low Miller-index surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. Vol. 15. P. 12617—12625. DOI: 10.1039/C3CP51389K.

17. Lin L., Zhou W., Gao R., Yao S., Zhang X., Xu W., Zheng S., Jiang Z., Yu Q., Li Y.-W., Shi C., Wen X.-D., Ma D. Lowtemperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts. Nature. 2017. Vol. 544. P. 80—83. DOI: 10.1038/nature21672.

18. Yu Z.-Y., Duan Y., Gao M.-R., Lang C.-C., Zheng Y.-R., Yu S.-H. A one-dimensional porous carbon-supported Ni/Mo2C dual catalyst for efficient water splitting. Chem. Sci. 2017. Vol. 8. P. 968—973. DOI: 10.1039/C6SC03356C.

19. Chu P.K., Lu X.P. Low temperature plasma technology: Methods and applications. London, New York: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2013. DOI: 10.1201/b15153.

20. Conte M., Prosini P.P., Passerini S. Overview of energy/hydrogen storage: state-of-the-art of the technologies and prospects for nanomaterials. Mater. Sci. Eng. B. 2004. Vol. 108. P. 2—8. DOI: 10.1016/j.mseb.2003.10.107.

21. Glebov E.M., Yuan L., Kishtopa L.G., Usov O.M., Krasnoperov L.N. Coating of metal powders with polymers in supercritical carbon dioxide. Ind. Eng. Chem. Res. 2001. Vol. 40. No. 19. P. 4058—4068. DOI: 10.1021/ie0100939.

22. Cheng Z.-P., Yang Y., Li F.-S., Pan Z.-H. Synthesis and characterization of aluminum particles coated with uniform silica shell. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2008. Vol. 18. P. 378—382. DOI: 10.1016/S1003-6326(08)60066-7.

23. Ermakov A.N., Luzhkova I.V., Avdeeva Yu.A. Murzakaev A.M., Zainulin Yu.G., Dobrinsky E.K. Formation of complex titanium-nickel nitride Ti0.7Ni0.3N in the «coreshell» structure of TiN—Ni. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2019. Vol. 84. Art. 104996. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.104996.

24. Nowotny H., Parthe F., Kieffer R., Benesovsky F. Das dreistoffsystem: Molybdän—Silizium—Kohlenstoff. Montash. Chem. 1954. Vol. 85. P. 255—272. DOI: 10.1007/bf00900444.

25. Hashimoto Y., Koyama K., Suzuki K., Takahashi T. New carbides in the Ni—Ti—Mo—C system. J. Jap. Soc. Powder Metal. 1989. Vol. 36. P. 898—902. DOI: 10.2497/jjspm.36.898.

26. Fayos J. Possible 3D carbon structures as progressive intermediates in graphite to diamond phase transition. J. Solid State Chem. 1999. Vol. 148. P. 278—285. DOI: 10.1006/jssc.1999.8448.

27. Krainer E., Robitsch J. Nachweis einer neuen Phase Bei der Funkenerosiven Behandlung von Kobalt. Zeitschrift für Metallkunde. 1970. Bd. 61. S. 350—354.

28. Straumanis M.E., Shodhan R.P. Lattice parameter and thermal expansion coefficient of molybdenum between 15° and 65 °C. Trans. Met. Soc. AIME. 1968. Vol. 242. P. 1185—1186.

29. Gesenhues U., Rentschler T. Crystal growth and defect structure of Al3+-doped rutile. J. Solid State Chem. 1999. Vol. 143. P. 210—218. DOI: 10.1006/jssc.1998.8088.