МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Лаврентьева Екатерина Константиновна

Темплатирование в системах, содержащих глины, как метод

управления свойствами полимер-композиционных сорбентов и

платиновых электрокатализаторов

Специальности:

02.00.06 – высокомолекулярные соединения 02.00.05 – электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

Москва – 2009 www.sp-department.ru

Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов Физического факультета и на кафедре электрохимии Химического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор химических наук Стародубцев Сергей Геннадьевич доктор химических наук, профессор Цирлина Галина Александровна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Василевская Валентина Владимировна доктор химических наук, профессор Гамбург Юлий Давидович

Ведущая организация: Институт синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН

Защита состоится 23 декабря 2009 г. В 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д. 501.002.01 при Физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, ГСП-1, дом 1, строение 2, МГУ, Физический факультет, ауд.

ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан _ ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Лаптинская Т.В.

  www.sp-department.ru

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие материаловедения, обусловленное разнообразными высокотехнологичными приложениями, требует новых управляемых способов формирования структур композиционных материалов, включающих наноразмерные фрагменты. Универсальным подходом к контролируемому наноструктурированию является темплатирование – формирование наноразмерных фрагментов определённого строения с использованием матриц. В настоящей работе этот подход реализован с использованием смектитовых глин – природных и синтетических низкоразмерных объектов, обладающих способностью связывать разнообразные ионы и молекулы, а также высокой химической и термической стабильностью. Зависимость сорбционных и ионообменных свойств глин от природы присутствующих в их составе обменных катионов и от кислотности (pH) среды даёт дополнительную возможность управления темплатирующими свойствами. Эти свойства, а также совместимость глин с подавляющим большинством реагентов для получения функциональных материалов, обеспечивают их универсальность как матриц. Для демонстрации широты спектра приёмов темплатирования, основанных на использовании глин, в работе выбраны две существенно различные группы материалов: гидрофильные полимерные гели и высокодисперсные платиновые электрокатализаторы.

Цель работы. На примерах композиционных полимерных сорбентов и дисперсных металлических катализаторов разработать принципы управляемого варьирования функциональных свойств материалов с использованием глин.

Задачи. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

суспензиях, содержащих глинистые частицы и их экспериментальная электроосажденной платины);

принципов контролируемого варьирования структуры получаемых оптимизации функциональных свойств.

Научная новизна и практическая значимость. В работе впервые предложен и реализован метод трёхстадийного формирования полимеркомпозиционных сорбентов, сочетающих гидрофильность полимерной матрицы и гидрофобность внедрённой в неё органоглины, что определило эффективность абсорбции композитами органических веществ из водных растворов. Впервые показана возможность уменьшения степени срастания и размера частиц Pt в модельных электрокатализаторах путём электроосаждения из суспензий глин в растворе платинирования. Как следствие, темплатирование катализаторов электрокаталитическую активность.

На защиту выносятся:

основанные на комбинировании ионообменных и стерических экспериментальной апробации.

Личный вклад автора. Автором лично приготовлены все исследуемые микроскопические (СТМ) эксперименты. Автор участвовал в интерпретации данных рентгенографических и микроскопических (СЭМ) данных.

опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых российских и зарубежных журналах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы (152 наименования). Работа изложена на 158 страницах, содержит 75 рисунков и 19 таблиц.

Во Введении сформулированы цель и задачи работы, обоснованы актуальность и значимость поставленных задач.

В первой главе (Обзор литературы) проведён систематический анализ свойств смектитовых глин, важных для темплатирования: слоистое строение, структурообразование в растворах, ионообменные равновесия и кинетика их установления, электрокинетическое и реологическое поведение. Акцент сделан на анализе свойств используемых в работе глин (Рис. 1): монтмориллонита (Монт), бентонита (Бент, смешаннослойный минерал, в котором содержание монтмориллонитовых слоёв превышает 70 %), лапонита (Лап, синтетический гекторит). Систематизирована литература, посвященная исследованиям структуры и свойств широко используемых глиносодержащих материалов:

органомодифицированных, интеркалированных и фиксированных глин;

композитов полимер-глина; электродов, модифицированных глинами.

Рис. 1. Структура монтмориллонита и гекторита (а, б). Обозначения: 1-Si; 2-Al (для монтмориллонита), Mg (для гекторита); 3-O; 4-OH; 5-межслоевые “обменные” катионы;

T - тетраэдрические Si кислородные слои; O - октаэдрические Al или Mg кислородногидроксильные слои; TOT - трёхслойные элементарные пакеты смектитовых глин (алюмосиликатные слои). Характерные величины (рис. б): d — расстояние от T-слоя одного пакета до таким же образом расположенного Т-слоя смежного пакета (межплоскостное расстояние); d — размер промежутка между пакетами. в) Строение частицы смектитовой глины в сухом состоянии. Обозначения: отрезки – алюмосиликатные слои; концентрические круги – обменные катионы.

Во второй главе (Методика эксперимента) описываются использованные в работе материалы, оборудование, а также схемы приготовления и методы характеристики исследуемых объектов. Для характеристики глин и их суспензий использовались рентгенофазовый анализ, термогравиметрия с масс-спектральным анализом, хроматография, рамановская спектроскопия и реологические измерения. Для структурной характеристики функциональных материалов привлекались рентгеновская дифракция, просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, а также сканирующая туннельная микроскопия.

полимер/органоглина, а также количество абсорбированных ими тестовых веществ контролировали методом спектроскопии поглощения в УФ-видимой хронамперометрии с кулонометрическим анализом. Для определения истинной каталитической активности полученных катализаторов проводились путём измерения стационарных поляризационных кривых. Все электрохимические пространствами.

Третья глава (Исследование структуры и состава используемых глин) посвящена детальной характеристике использованных в диссертационной работе глин. Показано, что Монт и Лап являются однофазными минералами, а в Бент присутствуют как неорганические (опал, кварц, кальцит), так и органические примеси, анализу которых уделено специальное внимание. Установлено, что заряд поверхности, ионообменная ёмкость и количество примесей в исследуемых