Наноматериалы и введение в электрохимию

1.

Детский технопарк «Альтаир» РТУ МИРЭА
Преподаватель: Рябков Егор Данилович
Москва 2020

2.

20 – 22 июля:
3 лекции по нанотехнологиям в альтернативной
энергетике и электрохимическом анализе
23 июля:
разделение на команды и решение кейсовой задачи
24 июля:
обсуждение командных решений и завершение курса
2

3.

• Просмотр вебинаров и ведение конспектов занятий;
• Просмотр видеозаписей из работы в лаборатории;
• Решение кейсовой задачи и защита её решения.
3

4.

Кейсовая задача – ситуационная актуальная проблема, решение которой
требует проектного подхода.
• Формирование команд случайным образом (пожелания будут
учитываться);
• Проведение активных консультаций и работа в командных голосовых и
текстовых каналах в Discord;
• Представление командами своих решений друг другу и преподавателю с
последующим обуждением.
4

5.

• Что такое наноматериалы и нанотехнологии?
• Свойства наноматериалов
• Области применения нанотехнологий на конкретных примерах
• Введение в электрохимию
5

6.

6

7. Какие нам нужны материалы?

Функциональные
Конструкционные
Проводят ток
Проводят тепло
Разнообразие функциональных материалов
Электроника
Оптика
Биоматериалы
Катализаторы
Магнитные материалы
Катодные материалы
Сенсоры
Фильтры
Ядерная энергетика
7

8.

Какие материалы использовало человечество?
Диаграмма Michael F. Ashby
8

9.

микросубмикро-
наноФЕЙНМАН Ричард Филлипс
(11.V.1918 - 15.II.1988)
1959 г.
«Там внизу полным-полно места…»
«Нано-» - это
сколько?
9

10. Какого размера «нано-»?

Муха под микроскопом
10 см
1 см
10-10 метра
100 мкм
10 мкм
10-9 метра
1 мкм
10-1 метра
100 нм
10
нм
1 нм
107 метра
10

11.

Наноматериалы –
материалы, состоящие целиком или содержащие в качестве структурных
единиц нанообъекты, количество, размер и физико-химические свойства
которых определяют функциональную направленность и
эксплуатационные характеристики данного материала
Нанотехнологии –
технологии, позволяющие целенаправленно создавать и конструировать
материалы и устройства на наноразмерном уровне
11

12.

Природа создает наноматериалы
Многослойная структура состоящая из наноструктурных
пластинок наблюдается в природе при формировании
раковин у моллюсков.
12

13. Наноматериалы и нанотехнологии в живой природе

Свойства материала не всегда определяются его химическим составом
13

14.

Магниточувствительные бактерии
стрелки компаса
Магниточувствительные бактерии умеют синтезировать кристаллы магнетита
Fe3O4 практически одинаковой формы и с узким распределением по размерам 5080 нм. Бактерии имеют специальные органеллы – магнитосомы, в которых и
происходит синтез частиц магнетита из солей железа.
14

15. Наноматериалы и нанотехнологи в живой природе

Прочность сцепления 10 Н/см2
Геккон
Волосообразные щетинки, обнаруженные на лапках гекконов, представляют из
себя лопатообразные кончики из b-кератина размером 100-200нм.
15

16.

«Гекко-скотч» лауреата
Нобелевской премии в области
физики за 2010 год Андрея Гейма
16

17.

«По морю аки по суху»
водомерки
Волоски на лапках водомерки
покрыты крошечными каналами,
называемыми нанобороздками. Эти
каналы удерживают пузырьки
воздуха, которые образуют
плавающую подушку.
17

18.

Антивандальные покрытия
Эффект лотоса
18

19.

Супергидро- и олеофобные покрытия
Нанорельеф
Химическая
модификация
19

20.

20

21.

Человечество давно использует
нанотехнологии!
Дамасская сталь
21

22.

Витражи
“Labors of the Months” (Norwich,
England, ca. 1480)
Красный цвет витража благодаря
присутствию наночастиц золота
22

23. Квантовые точки

В зависимости от размера наночастиц изменяется спектр
поглощения и излучения света
23

24.

НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА – ЗАЩИТА ОТ БАКТЕРИЙ
Колония листерий –
бактерий, вызывающие
пищевое отравление
Воздействие раствора
наночастиц серебра
на популяцию
листерий 1,5 часа
Коллоидный раствор частиц
серебра
(размер частиц 5 – 10 нм)
24

25. Влияние наносеребра на структуру клетки

клетка E.Coli
клетка E.Coli, после
воздействия наночастиц
серебра
25

26.

Клетки СТ 26 после инкубации в течении 1
часа с наноструктурированным ФС
конфокальная микроскопия;
Действие наноструктурированного ФС на клетки
СТ 26
при импульсном возбуждении,
конфокальная микроскопия
26

27.

(а)
(в)
(б)
(г)
Т2 взвешенные изображения опухолей CT26 (красные стрелки) до (а),
через 1 час (б), через 4 часа (в) и через 24 часа (г) после внутривенного
введения МНЧ-ЧСА-ПЭГ-ФС, МРТ изображения
27

28.

28

29.

29

30. Наноэлектроника – уже реальность!

14
нанометров
30

31.

«Структурная» окраска
Гироид
31

32.

Капустница – генератор электричества
Выходная мощность Si солнечного элемента выше при применении отражающей
пленки, удерживаемой под оптимальным углом 17 °.
32

33.

Самолет на солнечных батареях,
представляет из себя летающее
крыло с вмонтированными в него
60 тыс. солнечных элементов.
Рабочая высота полета – 30 км
Солнечные батареи космических аппаратов
«Восток», «Восход», «Союз»,
автоматических
межпланетных аппаратах и станциях серии
«Венера», «Марс», «Фобос»,
автоматических
самодвижущихся аппаратах «Луноход-1»,
«Луноход-2», ДОС «Салют», «Мир» и МКС,
ракет-носителей «Союз», «Союз-2», «Рокот»
Aвтономные термоэлектрические генераторы электричества
33

34. Век композиционных материалов

Применение ПКМ на Boeing 787 позволило снизить вес самолета на 30% и, как
следствие, сэкономить до 20% горючего
34
34

35. Композиты

35
35

36.

Углеродные нанотрубки
Одностенные
• Прочные и гибкие связи
благодаря ковалентным С-С
связям и бесшовной
структуре гексагональных
сеток
• Удельная прочность в 500
раз превосходит алюминий и
в 10 раз углероднополимерные композиты
Многостенные
36

37.

Контакты
электронных
приборов
Преимущества:
(1)
Малый размер
(2)
Высокая проводимость вдоль
оси
(3)
Высокая механическая
прочность
J. Li, Q. Ye, A. Cassell, H. T. Ng, R. Stevens, J. Han, M.
Meyyappan, Appl. Phys. Lett., 82(15), 2491 (2003)
37

38. Материалы для эндопротезирования

>80 000 операций на суставе в
год в России
12 % нуждаются в ревизионной
операции из-за:
а) нестабильной работы (65 %)
б) инфекции (20 %)
Полиэтилен
(последствия износа)
Биомиметический композит - сверхвысокомолекулярный
полиэтилен (СВМПЭ) с углеродными нанотрубками,
имитирующий структуру хряща сустава
38
38

39.

Биомиметический композит
Полное восстановление
двигательной активности
Характеристика
СВМПЭ
Разработка
Предел прочности при
растяжение, МПа
22
132
Модуль Юнга, МПа
700
919
Коэффициент трения
0,2
0,05 - 0.15
Износ
5,3∙10-9
3∙10-9
Срок службы, лет
8
> 15
Эндопротезирование крупных суставов
(таз, колено, плечо)
39

40. Функциональные композитные материалы на основе углеродных нанотрубок и других наноразмерных наполнителей

• Углеродные нанотрубки - перспективный материал во
многих областях применения: изготовление оптических и
газовых датчиков, транзисторов, электродов,
экранирование от электромагнитного излучения.
• На кафедре ЭТСУ ведутся работы по созданию и
исследованию термоинтерфейсов на основе полимерных
матриц, наполненных углеродными нанотрубками и
другими наноразмерными частицами, например,
вискерами AlN (их снимки СЭМ и фото установки для
синтеза представлены ниже).
40
40

41. Оптическое измерение кислорода

Очистка сточных вод
Лабораторный анализ
Аппараты ИВЛ
ТЭЦ и АЭС
Авиатехника
41

42. Оптический метод определения кислорода

Преимущества
+ экспрессный метод
+ малое время отклика
+ высокоселективен
+ не требуется выход на режим
+ кислород не расходуется
+ не отравляется H2S и другими
серосодержащими соединениями
1
2
3
4
5
Схема датчика с оптическим методом детектирования
1 – корпус
2 – фотоприемник
3 – источник света
4 – сменная насадка
5 – колпачок-фиксатор
Расчет времени жизни возбужденного
состояния красителя по сдвигу фазы:
τ = tg Φ/2πf
f - частота модуляции,
Φ – фаза сигнала модуляции.
42

43. Модификация сенсора для получения линейной градуировки и устойчивости к биологическому обрастанию

Оптическая изоляция
Отражающий слой
Кристаллическая фаза
Газопроницаемая среда
(нанопористые микрочастицы SiO2) с
(аморфный фторированный полимер)
красителем
30
40,3
39,4
10
35,4
25
15
21,1
10
16,2
t0 /t-1
t 0 /t -1
26,1
29,6
8
29,5
20
34,2
24,3
6
19,6
15,4
4
0,3
2
0,2
5
0
0
0
0
5
10
p O2, kPa
15
20
5
10
p O2, кПа
15
20
43

44.

Определение концентрации кислорода в
аквариуме
Наконечник с
чувствительным
красителем наклеен на
стенку внутри аквариума
Измерение производится
сквозь прозрачную стенку
Возможна передача
показаний на компьютер
или планшет по bluetooth
или Wi-Fi
44

45.

46.

Электрохимия - раздел химии, в котором
рассматриваются процессы, протекающие на
границе раздела фаз электрод - электролит.
Граница раздела фаз - место
соприкосновения поверхности твердого
электрода с поверхностью раствора
электролита.
46

47.

Электрохимия описывает процессы окисления и
восстановления, которые протекают на поверхности
электродов и процессы переноса ионов и электронов.
Положительно заряженные ионы будут двигаться к
отрицательно заряженному электроду (-), а
отрицательно заряженные частицы будут двигаться к
положительно заряженному электроду (+).
47

48.

Проводник - такой материал, в котором возникает ток заряженных
частиц при приложении к нему электрического поля.
Проводники бывают электронными и ионными.
Электронный проводник - металл, в котором перемещение заряда
обеспечивается движением электронов по поверхности
кристаллической решетки.
Ионный проводник - раствор электролита, в котором перемещение
заряда обеспечивается движением ионов в объеме электролита.
48

49.

Цепь проводников - несколько разных проводников, соединенных
между собой.
Цепь проводников может быть замкнутой (рис. а) или разомкнутой (рис.
б,в).
Если на концах разомкнутой цепи находится один и тот же по природе
проводник - цепь разомкнута правильно (рис. б).
49

50. Электрохимическая система

Последовательность проводников в электрохимической цепи изображают
схемой:
Вертикальные линии обозначают границу раздела двух смежных
проводников (границу раздела фаз).
Гальванические цепи могут быть с двумя или большим числом ионных
проводников:
Пунктирная вертикальная черта обозначает границу раздела двух
ионных проводников, через которую возможен диффузионный перенос
ионов из одного ионного проводника в другой.
50

51. Электрохимическая система

51

52.

На аноде (+) происходят реакции окисления, а на катоде (-)
происходят реакции восстановления.
Пример, электролиз воды:
Анод (+): 2OH- - 4e = O2↑ + 2H+
|х1
Катод (-): 2H+ + 2e = H2↑
|х2
Суммарная реакция процесса: 2H2O = 2H2↑ + O2↑
52

53.

Виды электродных реакций (по реагирующим веществам):
1. В реакцию вступает вещество, из которого состоит электрод;
2. В реакцию вступают компоненты, входящие в состав электролита;
3. Посторонние вещества, не входящие в состав электролита, но
имеющие возможность попасть на поверхность электрода или
покинуть её.
(по обратимости реакции):
1. Обратимые реакции при смене направления движения тока;
2. Необратимые реакции только в конкретных условиях;
3. Необратимые реакции в любых условиях.
53

54.

Электрод - электронный проводник, который контактирует с
ионным проводником.
Электролиз и
гальваника
Ионоселективные
электроды для
потенциометрии
Электроды
Электроды для
остальных
электрохимических
методов анализа
Электроды для
химических
источников тока,
батарей и
аккумуляторов
54

55. Электроды и их классификация

Электроды
Электроды
Жидкостные
Твердотельные
Металлические
Неметаллические
Электроды
Не расходуемые
Реагирующие
55

56.

1. При электролизе количество вещества, участвующего в химических
превращениях, пропорционально количеству электричества,
проходящему через электролит.
2. При прохождении через различные электролиты одного и того же
количества электричества массы различных веществ, выделяемых
или растворяемых, пропорциональны их химическим
эквивалентам:
m1:m2:m3 = Э1:Э2:Э3
56

57.

Уравнение, объединяющее оба закона Фарадея:
n = Q / zF
n - количество прореагировавшего вещества (моль),
Q - затраченное количество электричества,
F - число Фарадея (F = 96 485 Кл/моль),
z - количество электронов, участвующих в реакции.
Законы Фарадея справедливы для систем со стационарным
током в цепи
57

58.

Виды процессов переноса веществ в объеме электролита и на границе
электрод - электролит:
1. Диффузия (постоянное движение вещества в сторону выравнивания
концентрации);
2. Миграция (движение ионов под действием электрического поля);
3. Конвекционное движение вещества (например, при перемешивании);
4. Адсорбционные процессы (приближение и прилипание вещества на
поверхность электрода перед реакцией под действием электрического
поля);
5. Процессы десорбции (отлипание и отдаление вещества после реакции)
58

59.

Методы электрохимии,
использующиеся для
направленного синтеза
различных веществ
(электролиз) или для создания
металлических или полимерных
покрытий на поверхности
катода (гальваника).
59

60.

Электрохимический метод анализа,
который основан на измерении
зависимости равновесного потенциала
электрода от активности концентраций
определяемого иона. Широко
применяют потенциометрию в
аналитической химии для
определения концентрации веществ в
растворах (потенциометрическое
титрование), для измерения рН.
60

61. Кондуктометрическое титрование

Электрохимический метод
количественного анализа, который
основан на измерении
проводимости среды и ее
изменения в ходе различных
реакций.
61

62.

Электрохимический метод
анализа, который основан на
регистрации количества
затраченного электричества в
ходе электродной реакции.
62

63.

Электрохимический метод
исследования, позволяющий
исследовать электрохимические
свойства различных веществ и
материалов, а также реализовывать
различные методики количественного
и качественного анализа. Метод
основан на регистрации зависимости
изменения силы тока от смены
потенциала на основном электроде.
63

64.

64