Нанокомпозиты металл-ионообменник - композиты, состоящие из наноразмерных или наноструктурных частиц металлов и ионообменных полимерных матриц. Они являются энергонасыщенными сорбентами, реагентами, катализаторами гетерогенных химических и электрохимиче-ских реакций.
Достоинства этих материалов в сравнении с существующими нанокомпозитами металл-полимер состоят в: селективном ионообменном введении в полимерную матрицу и химическом осаждении металла в заданном количестве в виде наноразмерных и наноструктурных частиц. Частицы металла равномерно распределенны по объему; обладают высокой химической и каталитической активностью за счет развития и дефектности реакционной поверхности металла в порах ионообменника. Композиты имеют смешанную электронною и ионною проводимость.
В работе, выполняемой в лаборатории, обоснованы физико-химические принципы создания и стабилизации нанокомпозитов металл-ионообменник (редоксит, электроноионообменник, ЭИ), развиты представления о термодинамике, макрокинетике, динамике и электрохимии процессов с их участием.
2007-2008 © Department of Physical Chemistry, Voronezh State University. All rights reserved.
Однако вследствие матричной изоляции частиц металла перенос электронов осуществляется не по всему объему композита, а внутри отдельных структурных элементов (ансамбли частиц). Перенос ионов металла происходит в основном по ионогенным центрам матрицы, что существенно снижает их подвижность. Низкая электронная проводимость композита при малом содержании металла и ограниченная подвижность противоионов являются факторами зарядовой стабилизации, сдерживающей перекристаллизацию и наряду с матричной стабилизацией способствующей сохранению частиц металла нанометро-вого размера.
Химическая активность полученных металл-ионообменников исследована в процессах химического и электрохимического восстановления молекулярного кислорода из воды и водных растворов. Развита теория макрокинетики и динамики с учетом всех стадий внешнего и внутреннего массопереноса и химических реакций. Выявлена роль ионообменной матрицы и дисперсности металлического компонента. Построена физико-химическая модель восстановления кислорода. Для математического описания процессов решена сопряженная краевая задача восстано-вительной сорбции с учетом внешней, внутренней диффузии и последо-вательной химической реакции, для чего использованы методы матема-тического моделирования и оптимизации.
Практическое приложение результатов исследований. Разработанные методы получения нанокомпозитов металл-ионообменник Использованный в работе подход к моделированию макрокинетики и динамики позволяет прогнозировать работу зернистого слоя композита. Теоретически показано, что зернистый фильтрующий слой композита с повышенной дисперсностью металла более эффективен, что подтверждается экспериментальным исследованием динамики восстановительной сорбции кислорода. Созданы высокоэффективные фильтры по очистке воды от растворенного кислорода, селективному извлечению и концентрированию тяжелых металлов из многокомпонентных водных растворов, что имеет значение для атомной, радиотехнической, микроэлектрон-ной, теплоэнергетической, химической, фармацевтической и других отраслей промышленности.
Синтез и стабилизация наночастиц металлов проведены на основе совмещения процессов ионообменной сорбции и химического или электрохимического восстановления металла в трехмерном полимерном носителе. Получены новые композиты с регулируемым содержанием наночастиц различных металлов (Cu, Ag и др.) в макро- и микропористых катионо- и анионообменных матрицах (КУ-23, КУ-2, АВ-17). Методами микроскопии, рентгенографии, потенциометрии, вольтамперометрии и химического анализа определены их физико-химические характеристики. Установлено, что образуются наноразмерные частицы металла, а также их наноструктурные ансамбли, изолированные друг от друга и стабилизированные полимерной матрицей. В растворами электролитов на композитах происходят два процесса: ионный обмен и перекристаллизация металла. Взаимосвязь между ними осуществляется посредством одной общей частицы - противоионов металла. Процесс перекристаллизации идет по электроноионному механизму.
