Термоокисление на воздухе нанопорошков алмазов, полученных механическим измельчением и методом детонационного синтеза

Методами рентгеноструктурного фазового анализа (РФА), просвечивающей электронной микроскопиим (ПЭМ), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и спектроскопии комбинационного рассеяния исследованы особенности влияния отжига на воздухе в интервале температур t = 200÷550 °С на морфологию, элементный и фазовый составы, химическое состояние и структуру первичных частиц нанопорошков, полученных измельчением природного алмаза (ПНА) и методом детонационного синтеза (ДНА). Показано, что термообработка на воздухе при заданных значениях температуры и времени нагрева не оказывает влияние на элементный состав и атомную структуру первичных частиц нанопорошков, полученных как методом ДНА, так и методом ПНА. По результатам РФЭС, ПЭМ и спектроскопии комбинационного рассеяния установлено, что отжиг на воздухе при t = 400÷550 °С приводит к эффективному удалению из нанопорошков алмаза атомов аморфного и графитоподобного углерода в sp2- и sp3-состояниях путем окисления кислородом воздуха. В исходном нанопорошке ДНА, содержащем около 33,2 % атомов неалмазного углерода от общего количества атомов углерода, после отжига в течение 5 ч при t = 550 °С относительное количество атомов неалмазного углерода в sp2-состоянии уменьшилась до ~21,4 %. При этом относительное количество атомов углерода в sp3-состоянии (в решетке алмазного ядра) и в составе кислородсодержащих функциональных групп увеличилось соответственно с ~39,8 до ~46,5 % и с ~27 до ~32,1 %. В нанопорошке ПНА, содержащем до отжига около 10,6 % атомов неалмазного углерода в sp2-состоянии от общего количества атомов углерода, после отжига при тех же условиях, что и для нанопорошка ДНА, их относительное количество снизилось до 7,1 %. При этом относительное количество атомов углерода в sp3-состоянии повысилось с 72,9 до 82,1 %, также незначительно (с 10,2 до 10,8 %) возросла доля атомов углерода в составе кислородсодержащих функциональных групп. Показано, что отжиг на воздухе нанопорошков ПНА и ДНА приводит к изменению их цвета: в результате окисления неалмазного углерода кислородом воздуха они становятся более светлыми. Максимальный эффект наблюдается при температуре 550 °С и времени отжига 5 ч. При этом потери массы нанопорошков ПНА и ДНА после отжига составили, соответственно, 5,37 и 21,09 % – значительная потеря в массе нанопорошка ДНА обусловлена, в основном, высоким содержанием в исходном состоянии неалмазного углерода и высокой фповерхностной энергией первичных частиц вследствие их малого размера.

1. Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение. Успехи химии. 2001. Т. 70. No. 7. C. 687—708.

2. Новиков Н.В., Богатырева Г.П., Волошин М.Н. Детонационные алмазы в Украине. Физика тв. тела. 2004. Т. 46. No. 4. С. 585—590.

3. Верещагин А.Л. Строение и реакционная способность детонационных алмазов. Юж.-сиб. науч. вестн. 2017. T. 18. No. 2. С. 24—30. http://s-sibsb.ru/issues/51-2017-issues/issue-18/200-5.

4. Osswald S., Yuchin G., Mochalin V., Kucheyev S.O., Gogotsi Y. Control of sp2/sp3 carbon ratio and surface chemistry of nanodiamond powders by selective oxidation in air. J. Am. Chem. Soc. 2006. Vol. 128. No. 35. P. 11635—11642. DOI: 10.1021/ja063303n.

5. Плотников В.А., Демьянов Б.Ф., Макаров С.И., Черков А.Г. Атомная структура нанокристаллов детонационного алмаза. Фундам. пробл. соврем. материаловедения. 2012. Т. 9. No. 4. С. 521—526.

6. Шарин П.П., Сивцева А.В., Яковлева С.П., Копырин М.М., Кузьмин С.А., Попов В.И., Никифоров Л.А. Сравнение морфолических и структурных характеристик частиц нанопорошков, полученных измельчением природного алмаза и методом детонационного синтеза. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019. No. 4. C. 55—67.

7. Stehlik S., Varga M., Ledinsky M., Jirasek V., Artemenko A., Kozak H, Ondic L., Skakalova V., Argentero G., Pennycook T., Meyer J.C., Fejfar A., Kromka A., Rezek B. Size and purity control of HPHT nanodiamonds down to 1 nm. J. Phys. Chem. C. 2015. Vol. 119. No. 49. P. 27708—27720. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b05259.

8. Плотников В.А., Демьянов Б.Ф., Макаров С.В., Богданов Д.Г. Примесная подсистема детонационного наноалмаза. Фундам. пробл. соврем. материаловедения. 2013. Т. 10. No. 4. С. 487—492.

9. Sharin P.P., Sivtseva A.V., Popov V.I. X-rays photoelectron spectroscopy of nanodiamonds obtained by grinding and denotation synthesis. Tech. Phys. 2021. Vol. 66. No. 2.P. 275—279. DOI: 10.1134/S1063784221020183.

10. Yongwei Zhu, Zhijing Feng, Baichun Wang, Xianyang Xu. Dispersion of nanodiamond and ultra-fine polishing of quartz wafer. China Particuology. 2004. Vol. 2. No. 4. P. 153—156. DOI: 10.1016/S1672-2515(07)60046-3.

11. Hirata A., Igarashi M., Kaito T. Study on solid lubricant properties of carbon onion produced by heat treatment of diamond cluster or particles. Tribol. Int. 2004. Vol. 39. P. 899—905. DOI:10.1016/j.triboint.2004.07.006.

12. Zhao X., Wang T., Li Y., Huang L., Handschuh-Wang S. Polydimethylsiloxane/nanodiamond composite sponge for enhanced mechanical or wettability performance. Polymers. 2019. Vol. 11. No. 6. P. 948—960. DOI: 10.3390/polym11060948.

13. Afandi A., Howkins A., Boyd I., Jackman R. Nanodiamonds for device applications: An investigation of the properties of boron-doped detonation nanodiamonds. Sci. Rep. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 1—10. DOI: 10.1038/s41598-018-21670-w.

14. Hsu S-H., Kang W.P., Davidson J.L., Huang J.H., Kerns D.V. Jr. Nanodiamond vacuum field emission integrated differential amplifier. IEEE Trans. Electron Devices. 2013. Vol. 60. No. 1. P. 487—493. DOI: 10.1109/ TED.2012.2228485.

15. Тверитинова Е.А., Житнев Ю.Н., Кулакова И.И., Маслаков К.И., Нестерова Е.А., Харланов А.Н., Иванов А.С., Савилов С.В., Лунин В.В. Влияние структуры и свойств поверхности на каталитическую активность наноалмаза в конверсии 1,2-дихлорэтана. Журн. физ. химии. 2015. Т. 89. No. 4. С. 680—687.

16. Lin Y., Sun X., Su D., Centi G., Perathoner S. Catalysis by hybrid sp2/sp3nanodiamonds and their role in the design of advanced nanocarbon materials. Chem. Soc. Rev. 2018. Vol. 47. No. 22. P. 8438—8473. DOI: 10.1039/C8CS00684A.

17. Яковлев Р.Ю., Соломатин А.С., Леонидов Н.Б., Кулакова И.И., Лисичкин Г.В. Детонационный наноалмаз — перспективный носитель для создания систем доставки лекарственных веществ. Рос. хим. журн. 2012. Т. 56. No. 3—4. С. 114—125.

18. Huang H., Pierstorff E., Ho D., Osawa E. Active nanodiamond hydrogels for chemotherapeutic delivery. Nano Lett. 2007. Vol. 7. No. 11. P. 3305—3314. https://doi.org/10.1021/nl071521o.

19. Schrand A.M., Dai L., Schlager J.J., Hussain S.M., Osawa E. Differential biocompatibility of carbon nanotubes and nanodiamonds. Diam. Relat. Mater. 2007. Vol. 16. No. 12. P. 2118—2123. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2007.07.020.

20. Tsai L.-W., Lin Y.-C., Perevedentseva E., Lugovtsov A., Priezzhev A., Cheng C.-L. Nanodiamonds for medical applications: interaction with blood in vitro and in vivo. Int. J. Mol. Sci. 2016. Vol. 17. No. 7. P. 1111 (17). DOI:10.3390/ijms17071111.

21. Денисов С.А., Дзидзигури Э.Л., Спицын Б.В., Соколина Г.А., Болдырев Н.Ю. Очистка и модификация продукта детонационного синтеза алмаза. Уч. записки Петрозав. гос. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2011. No. 2. С. 89—98.

22. Чиганов А.С. Селективное ингибирование окисления наноалмазов в технологии очистки. Физика тв. тела. 2004. Т. 46. No. 4. С. 605—606.

23. Korepanov V.I., Hamaguchi H., Osawa E., Ermolenkov V., Lednev I., Etzold B., Levinson O., Zousman B., Eprella C.P., Chang H-C. Carbon structure in nanodiamonds elucidated from Raman spectroscopy. Carbon. 2017. No. 121. P. 322—329. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.06.012.

24. Scofield J.H. Hartree-slater subshell photoionization cross-sections at 1254 and 1487 eV. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1976. Vol. 8. No. 2. P. 129—137. DOI:10.1016/0368-2048(76)80015-1.

25. Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза. 2-е изд. М.: Наука, 1984.

26. Гурин В.А., Габелков С.В., Полтавцев Н.С., Гурин И.В., Фурсов С.Г. Кристаллическая структура пирографита и каталитически осажденного углерода. Вопр. атом. науки и техники. Сер. Физика радиац. повреждений и радиац. материаловедение. 2006. Т. 89. No. 4. С. 195—199.

27. Штольц А.К., Медведев А.И., Курбатов Л.В. Рентгеновский анализ микронапряжений и размера областей когерентного рассеяния в поликристаллических материалах. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2005. https://study.urfu.ru/Aid/Publication/328/1/Shtolts_Medvedev_Kurbatov.pdf

28. Андреев В.Д., Созин Ю.И. Структура ультрадисперсных алмазов. Физика тв. тела. 1999. Т. 41. No. 10. С. 1890—1892.

29. http://xpspeak.software.informer.com/4.1.

30. Алексенский А.Е., Осипов В.Ю., Вуль А.Я., Бер Б.Я., Смирнов А.Б. Оптические свойства слоев наноалмазов. Физика тв. тела. 2001. Т. 43. No. 1. С. 140—145.

31. Fang C., Zhang Yu., Shen W., Sun Sh., Zhang Zh., Xue L., Jia X. Synthesis and characterization of HPHT large single-crystal diamonds under the simultaneous influence of oxygen and hydrogen. Cryst. Eng. Comm. 2017. Vol. 19. No. 38. P. 5727—5734. DOI: 10.1039/C7CE01349C.

32. Qi M., Xiao J., Cheng Y., Wang Zh., Jiang A., Guo Y., Tao Z. Effect of various nitrogen flow ratios on the optical properties of (Hf : N)—DLC films prepared by reactive magnetron sputtering. AIP Adv. 2017. Vol. 7. No. 8. P. 085012. DOI: 10.1063/1.4993631.

33. Швидченко А.В., Жуков А.Н., Дидейкин А.Т., Байдакова М.В., Шестаков М.С., Шнитов В.В., Вуль А.Я. Электрические свойства поверхности монокристаллических частиц детонационного наноалмаза, полученных отжигом агломератов в атмосфере воздуха. Коллоид. журн. 2016. Т. 78. No. 2. С. 218—224. DOI: 10.7868/S0023291216020142.

34. Araùjo M.P., Soares O.S.G.P., Fernandes A.J.S., Pereira M.F.R., Freire C. Tuning the surface chemistry of graphene flakes: new strategies for selective oxidation. RSC Adv. 2017. No. 7. P. 14290. DOI: 10.1039/c6ra28868e.

35. Li H., Xu T., Wang C., Chen J., Zhou H., Liu H. Effect of relative humidity on the tribological properties of hydrogenated diamond-like carbon films in a nitrogen environment. J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 62—69. DOI: 10.1088/0022-3727/38/1/011.

36. Полянская Е.М., Таран О.П. Исследование функциональных групп на поверхности окисленного углеродного материала Сибунит методами кислотно-основного титрованияи РФЭС. Вестн. Томск. гос. ун-та. Химия. 2017. No. 10. С. 6—26. DOI: 10.17223/24135542/10/1.

37. Rey A., Faraldos M., Bahamonde A., Casas J.A., Zazo J.A., Rodríguez J.J. Role of the activated carbon surface on catalytic wet peroxide oxidation. Ind. Eng. Chem. Res. 2008. Vol. 47. No. 21. P. 8166—8174. DOI: 10.1021/ie800538t.

38. Богданов Д.Г., Макаров С.В., Плотников В.А. Десорбция примесей при нагреве детонационного наноалмаза. Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38. No. 4. С. 89—95.

39. Плотников В.А., Богданов Д.Г., Макаров С.В., Богданов А.С. Сорбционные и десорбционные свойства детонационного наноалмаза. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2017. Т. 60. No. 9. С. 27—32. DOI: 10.6060/tcct.2017609.1y.

40. Кощеев А.П., Горохов П.В., Громов М.Д., Перов А.А., Отт У. Химия поверхности модифицированных детонационных наноалмазов различных типов. Журн. физ. химии. 2008. Т. 82. No. 10. С. 1908—1914.