Синтез наночастиц сульфидов металлов, стабилизированных ПАВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

5. Кизим Н.Ф., Голубина E.H. Накапливание некоторых редкоземельных элементов в динамическом межфазном слое экстракционной системы. // Химическая технология. 2009. Т. 10. № 5. С. 296-301.

6. Практикум и задачник по коллоидной химии. / Под ред. В.В. Назарова и А.С. Гродского. - М.: Академкнига. 2007. - 420 с.

7. Тарасов В.В., Фомин А.В., Ягодин Г.А. Поверхностно-активные свойства ди-(2-этилгексил)фосфорной кислоты // Журн. физич. химии. 1971. Т. 45. № 5. С. 1300.

УДК 54.057 : 546

Е.В. Гуляева, М.Ю. Королева, Е.В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ СУЛЬФИДОВ МЕТАЛЛОВ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ПАВ

В данной работе были синтезированы наночастицы CdS, ZnS, Ag2S методом контролируемого осаждения в водной среде с использованием неионогенного ПАВ Tween 80, анионогенного ПАВ Аэрозоль ОТ и их смеси. Был проведен сравнительный анализ средних размеров и дисперсности наночастиц. Показано, что минимальные размер и дисперсность наблюдались при синтезе наночастиц, стабилизированных смесью ПАВ в мольном соотношении Аэрозоль ОТ : Tween 80 < 1 : 1.

In the present work nanoparticles CdS, ZnS, Ag2S were synthesized by controlled precipitation method in aqueous medium. Nonionic surfactant Tween 80, anionic surfactant Aerosol OT, and mixture of these surfactants were used as capping agents. Minimum size and dispersity of nanoparticles were obtained in the case of mixture of surfactants and molar ratio Aerosol OT : Tween 80 < 1 : 1.

Неорганические полупроводники CdS, ZnS, Ag2S обладают высокой подвижностью носителей заряда, фото- и термальной стабильностью. Сульфиды металлов представляют интерес благодаря потенциальной возможности их применения в оптоэлектронике, фотовольтаике, медицине и в качестве катализаторов. Одной из важнейших задач при синтезе полупроводниковых наночастиц (НЧ) для этих целей является получение НЧ с узким распределением по размерам.

В данной работе НЧ CdS, ZnS, Ag2S были получены методом контролируемого осаждения в водной среде. Прекурсорами служили 1 мМ водный раствор нитрата кадмия, цинка или серебра, а также 1 мМ водный раствор сульфида натрия. Синтез проходил при стехиометрическом соотношении прекурсоров, при температуре 25 0С и интенсивном перемешивании. В качестве стабилизаторов использовали неионогенное ПАВ Tween 80 и анионогенное ПАВ Аэрозоль ОТ (АОТ) и их смесь. Размер синтезируемых частиц и распределение их по размерам определяли методом динамического светорассеяния на приборе Zetasizer Nano (Malvern). Морфологию полученных наночастиц определяли с помощью электронной

микроскопии. Электрокинетический потенциал измеряли с помощью метода электрофореза на приборе Zetasizer Nano (Malvern).

Было установлено, что для образования устойчивой к агрегации и седиментации дисперсии наночастиц, стабилизированных Tween 80 и АОТ, требуется проводить синтез при мольном соотношении М"+ (М — катион Cd, Zn или Ag): Tween 80 > 1: 1,5и М"+: АОТ >1:2.

Если при синтезе частиц сульфидов металлов в отсутствии ПАВ равновесие в системе достигается достаточно быстро - в течение нескольких секунд, то при наличие в системе ПАВ процесс синтеза идет более медленно. На рис. 1 приведены зависимости средних размеров НЧ от времени синтеза.

111

9 -

7 -

J-

-Í

1±

♦ CdS ■ ZnS ▲ Ag2S

40 60 80 Время, мин

20

40 60 Время, мин

100

Рис. 1. Зависимости измерения среднего размера НЧ, стабилизированных Т*теееп 80 (а)

и АОТ (б), от времени синтеза

Из полученных зависимостей видно, что рост НЧ ZnS и Ag2S идет в течение 20 минут, а рост НЧ CdS — в течение 40 минут. Рост НЧ, стабилизированных АОТ, длится в течение 15-20 минут. Впоследствии размер НЧ остается почти неизменным. Полученные дисперсии НЧ CdS, ZnS и Ag2S устойчивы к седиментации на протяжении нескольких месяцев.

Методом динамического светорассеяния были определены распределения по размерам частиц, стабилизированных Т,№ееп 80 и АОТ. Данные показали, что размер НЧ, стабилизированных Т,№ееп 80 составил 9 ± 3 нм. На гистограммах распределения НЧ CdS и ZnS, стабилизированных АОТ, наблюдалось два пика, соответствующих размерам 60 ± 50 нм и 165 ± 60 нм для НЧ CdS, а также 38 ± 25 нм и 140 ± 27 нм для НЧ ZnS. Наиболее вероятно, наличие второго пика свидетельствует об образовании агрегатов, состоящих из нескольких НЧ. При синтезе НЧ Ag2S, стабилизированных АОТ, на гистограммах также имеется два максимума: первый пик соответствует размерам 14 ± 9 нм, второй — 90 ± 15 нм. Полученные данные свидетельствуют о том, дисперсность образцов, стабилизированных АОТ, достаточно высокая. С помощью электронной микроскопии было установлено, что форма НЧ, стабилизированных этими ПАВ, близкая к сферической.

Существенное влияние на морфологию НЧ оказывают ПАВ и их смеси, поскольку молекулы разных по природе ПАВ специфически адсорбируются на их гранях растущих кристаллов. Использование смесей ПАВ может снизить дисперсность образцов и дает возможность получения НЧ разной морфологии. В данной работе было исследовано влияние смеси ПАВ Tween 80-АОТ на синтез НЧ CdS, ZnS и Ag2S.

5

0

Для определения влияния состава смеси ПАВ Т,№ееп 80-АОТ на размер НЧ СёБ, ZnS и Ag2S, были исследованы зависимости их среднего размера от мольного соотношения АОТ : Т-№ееп 80 (рис. 2).

20 -|

§ 15 я

а

I 10

со Я Рч

5 0

0 12 3 4

Мольное соотношение АОТ : Tween 80

Рис. 2. Зависимости среднего размера НЧ от мольного соотношения АОТ : Ттеееп 80

Полученные результаты показали, что присутствие АОТ слабо влияет на размер частиц, который остается практически неизменным при мольном соотношении АОТ : Т,№ееп 80 < 1 : 1, а затем незначительно увеличивается. Методом динамического светорассеяния было определено, что дисперсность образцов, полученных при мольном соотношении АОТ : Т,№ееп 80 < 1 : 1 меньше, чем при использовании только Т,№ееп 80 в качестве стабилизатора, она составила ±2 нм. При этом средний размер НЧ CdS и ZnS составил 8 нм, НЧ Ag2S — бнм. Форма НЧ была сферической.

При увеличении мольного соотношения АОТ : Т,№ееп 80 абсолютные значения ^-потенциала НЧ возрастают. При стабилизации НЧ только Т,№ееп 80, их электрокинетический потенциал составляет ~(-10 мВ). При увеличении содержания АОТ до мольного соотношения АОТ : Т,№ееп 80 = 1 : 1 значения ^-потенциала возрастают до ~(-24,5 мВ) для НЧ CdS и ZnS и до ~(-47 мВ) для НЧ Ag2S. Электрокинетический потенциал НЧ CdS,

стабилизированных АОТ, составлял -43 мВ, НЧ ZnS--54 мВ, НЧ Ag2S —

-52 мВ. Полученные данные свидетельствуют о совместной адсорбции молекул Т,№ееп 80 и АОТ на поверхности синтезируемых НЧ.

Таким образом, использование смеси ПАВ при мольном соотношении АОТ : Т-№ееп 80 < 1 : 1 позволяет получать более мелкие НЧ CdS, ZnS и Ag2S с более узким распределением по размерам.

♦ CdS ■ ZnS А Ag2S