Исследование кинетики процесса получения нанопорошка кобальта водородным восстановлением в изотермических условиях

Проведено изучение кинетики процесса получения нанопорошка металлического кобальта водородным восстановлением нанопорошка Co(OH)2 при изотермических условиях. Нанопорошок Co(OH)2 заранее получали химическим осаждением из водных растворов нитрата кобальта Со(NO3)2 (10 мас.%) и щелочи NaOH (10 мас.%) при комнатной температуре, рН = 9 и непрерывном перемешивании. Процесс водородного восстановления нанопорошка Co(OH)2 при изотермических условиях про- водили в трубчатой печи в интервале температур от 270 до 310 °С. Исследование кристаллической структуры и состава порошков выполняли методом рентгенофазового анализа. Удельную поверхность образцов измеряли методом БЭТ по низкотемпературной адсорбции азота. Средний размер частиц порошков рассчитывали по данным измерения величины удельной поверхности. Размерные характеристики и морфологию частиц изучали на просвечивающем (ПЭМ) и сканирующем (СЭМ) электронных микроскопах. Расчет кинетических параметров процесса водородного восстановления Co(OH)2 при изотермических условиях проводили с помощью модели Грея–Веддингтона и уравнения Аррениуса. Установлено, что константа скорости восстановления при температуре 310 °C примерно в 1,93 раза больше, чем в случае 270 °С, – соответственно за 40 мин восстановления процесс ускоряется в 1,58 раза. Энергия активации процесса получения нанопорошка кобальта водородным восстановлением Co(OH)2 равна ~40 кДж/моль, что свидетельствует о смешанном режиме реагирования. Показано, что наночастицы кобальта, полученные водородным восстановлением его гидроксида при температуре 280 °С, представляют собой агрегаты частиц равноосной формы, размер которых достигает 100 нм, отдельные частицы соединены с несколькими соседними частицами контактными перешейками.

1. Bhushan B. (Ed.). Springer handbook of nanotechnology. 4th ed. Berlin: Springer-Verlag Heidelberg, 2017.

2. Чернышова О.В., Канагатов Д.К., Дробот Д.В. Получение никель-кобальтового концентрата при переработке ренийсодержащего жаропрочного сплава. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. No. 6. С. 42—48.

3. Zeng M., Liu Y., Zhao F., Nie K., Han N., Wang X., Huang W., Song X., Zhong J., Li Y. Metallic cobalt nanoparticles encapsulated in nitrogen-enriched graphene shells: its bifunctional electrocatalysis and application in zinc-air batteries. Adv. Funct. Mater. 2016. Vol. 26 (24). P. 4397—4404.

4. Nguyen V.M., Khanna R., Konyukhov Y., Nguyen T.H., Burmistrov I., Levina V., Golov I., Karunakaran G. Spark plasma sintering of cobalt powders in conjunction with high energy mechanical treatment and nanomodification. Processes. 2020. Vol. 8 (5). Art. 627.

5. Лапсина П.В., Додонов В.Г., Пугачев В.М., Кагакин Е.И. Получение ультрадисперсного кобальта восстановлением кристаллического карбоната кобальта. Вестн. Кемеров. гос. ун-та. 2012. T. 4. No. 1. С. 267—271.

6. Kolesnikov E., Levina V., Godymchuk A., Kuznetsov D., Polushin N. Synthesis of cobalt nanopowder using surfactants of different nature. Adv. Mater. Res. 2015. Vol. 1085. P. 7—11.

7. Wang Y., Nie Y., Ding W., Chen S.G., Xiong K., Qi X.Q., Zhang Y., Wang J., Wei Z.D. Unification of catalytic oxygen reduction and hydrogen evolution reactions: highly dispersive Co nanoparticles encapsulated inside Co and nitrogen co-doped carbon. ChemComm. 2015. Vol. 51 (43). P. 8942—8945.

8. Farkaš B., Santos-Carballal D., Cadi-Essadek A., De Leeuw N.H. A DFT + U study of the oxidation of cobalt nanoparticles: Implications for biomedical applications. Materialia. 2019. Vol. 7. Art. 100381.

9. Jamkhande P.G., Ghule N.W., Bamer A.H., Kalaskar M.G. Metal nanoparticles synthesis: An overview on methods of preparation, advantages and disadvantages, and applications. J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2019. Vol. 53. Art. 101174.

10. Yanilkin V.V., Nasretdinova G.R., Osin Y.N., Salnikov V.V. Anthracene mediated electrochemical synthesis of metallic cobalt nanoparticles in solution. Electrochim. Acta. 2015. Vol. 168. P. 82—88.

11. Ansari S.M., Bhor R.D., Pai K.R., Sen D., Mazumder S., Ghosh K., Kolekar Y.D., Ramana C.V. Cobalt nanoparticles for biomedical applications: Facile synthesis, physiochemical characterization, cytotoxicity behavior and biocompatibility. Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 414. P. 171—187.

12. Seong G., Takami S., Arita T., Minami K., Hojo D., Yavari A.R., Adschiri T. Supercritical hydrothermal synthesis of metallic cobalt nanoparticles and its thermodynamic analysis. J. Supercrit. Fluids. 2011. Vol. 60. P. 113—120.

13. Нгуен Т.Х., Конюхов Ю.В., Нгуен В.М., Левина В.В., Карпенков Д.Ю. Магнитные свойства нанопорошков Fe, Co, Ni, полученных химико-металлургическим методом. Тезисы XXII Междунар. конф. по постоянным магнитам (Суздаль, 23—27 сент. 2019). М.: Изд. дом «Графит», 2019. С. 104—105.

14. Нгуен В.М., Конюхов Ю.В., Рыжонков Д.И. Исследование влияния электромагнитного поля и энергомеханической обработки на процесс получения наноразмерных порошков металлического кобальта восстановлением водородом. Изв. вузов. Черн. метал- лургия. 2018. Т. 61. No. 2. С. 96—101.

15. Нгуен Т.Х., Нгуен В.М. Влияние поверхностно-активных веществ на дисперсность нанопорошков железа, кобальта и никеля. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 1. С. 22-28.

16. Колесников А.С. Термодинамическое моделирование восстановления кремния, железа и отгонки цинка, свинца в системах цинколигонитовая руда—углерод. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 5. С. 11—15.

17. Шуров Н.И., Храмов А.П., Зайков Ю.П., Ковров В.А., Суздальцев А.В. О механизме восстановления оксидов в расплавах хлорида кальция. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. No. 2. С. 14—19.

18. Лямкин С.А., Селиванов Е.Н., Семенова Н.С. Расчет скорости восстановления меди, никеля и кобальта из оксидных расплавов монооксидом углерода. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 2. С. 26—29.

19. Конюхов Ю.В., Нгуен В.М., Рыжонков Д.И. Кинетические закономерности процессов водородного восстановления нанопорошка α-Fe2O3 при энергомеханической обработке в электромагнитном поле. Физика и химия обраб. материалов. 2018. No. 1. С. 66—74.

20. Ryzhonkov D.I., Konyukhov Yu.V., Nguyen V.M. Kinetic regularities and mechanisms of hydrogen reduction of nanosized oxide materials in thin layers. Nanotechnol. Russia. 2017. Vol. 12 (11—12). P. 620—626.

21. Рыжонков Д.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989.

22. Колпакова Н.А., Романенко С.В., Колпаков В.А. Сборник задач по химической кинетике. Томск: Издательство ТПУ, 2008.

23. Schmalzried H. Chemical Kinetics of Solids. Weinheim: VCH, 1995.