Высокомолекулярные соединения (серия Б), 2021, T. 63, № 2, стр. 152-158
ЭПР-ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩИХ НАНОКОМПОЗИТОВ ПРИ ТЕРМОЛИЗЕ СОЛИ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА
Н. И. Тихонов a, С. С. Хуцишвили a, *, Т. И. Вакульская a, Н. П. Кузнецова a, А. И. Емельянов a, А. С. Поздняков a
a Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского Сибирского отделения Российской академии наук
664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1, Россия
* E-mail: khutsishvili_sp@yahoo.com
Поступила в редакцию 14.06.2020
После доработки 26.09.2020
Принята к публикации 09.10.2020
Аннотация
Термической обработкой полимерного комплекса на основе полиакрилонитрила без использования дополнительного восстановителя синтезированы новые нерастворимые полимерные серебросодержащие нанокомпозиты. Полученные композиты парамагнитны, обладают спиновой концентрацией порядка 1017−1018 спин/г и средним размером наночастиц серебра 5−8 нм. Методом электронного парамагнитного резонанса проведен мониторинг синтеза наносистем во времени. Установлено, что нанокомпозит образуется в две основные стадии с восстановлением ионов серебра и дальнейшим развитием наночастиц, при этом полимерная матрица может претерпевать некоторые изменения и давать вклад в общий магнетизм полученного композита.
ВВЕДЕНИЕ
Наноматериалы широко используют в медицине, электронике, химической промышленности, энергетике и многих других отраслях [1–4]. Полимерные нанокомпозиты, содержащие металлические наночастицы благородных металлов, в частности серебра, представляют интерес как для фундаментальных изысканий, так и для практического применения [5, 6]. Уникальные свойства нанокомпозитов, в свою очередь, тесно связаны с формированием наночастиц в полимерном материале, их супрамолекулярной самоорганизацией и стабилизирующими свойствами оригинальной матрицы [7].
Полиакрилонитрил в этом отношении является перспективным многоцелевым полимерным материалом, с присущим ему рядом практически значимых механических и термических свойств, светостойкостью и низкой теплопроводностью [8, 9]. С наночастицами серебра ПАН образует нанокомпозит, который наделен электрическими, оптическими, антибактериальными и другими весьма ценными качествами [10, 11], обладающий высокой активностью и стабильностью, низкой токсичностью и простотой приготовления [12, 13]. Важно, что свойства конечного продукта зависят не только от полимерной матрицы и свойств нанокристаллитов, но и от способа наполнения [7, 14]. Формирование наноразмерных частиц в полимерных матрицах представляет собой сложный многостадийный процесс, в связи с чем поэтапное изучение образования наносистемы, наночастиц, а также точная характеризация полученных объектов и объяснение их необычных свойств, в частности магнитных, можно назвать важными и крайне актуальными задачами. В данном случае, методы магнитного резонанса оказываются главным инструментом структурных исследований, а спектроскопия ЭПР – единственным прямым, наиболее современным и перспективным методом исследования парамагнитных частиц.
В настоящей работе синтезированы и исследованы закономерности формирования полимерных наноразмерных серебросодержащих материалов и их парамагнетизма термическим восстановлением нитрата серебра в матрице полиакрилонитрила методом ЭПР с привлечением других физико-химических методов. Такие серебросодержащие нанокомпозиты перспективны для использования в катализе, микроэлектронике, в производстве стойких антибактериальных покрытий [15–17].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения ПАН исходным соединением служил акрилонитрил фирмы “Aldrich” (99%, Tкип = 77°С, n$_{{\text{D}}}^{{20}}$ = 1.3911). Нитрат серебра AgNO3 концентрации 99.9% (“Sigma-Aldrich”) и химически чистую азотную кислоту (37%) применяли для синтеза нанокомпозитов. Персульфат аммония и тиосульфат натрия использовали квалификации “х. ч.” Ацетон, ДМФА и этиловый спирт очищали по известным методикам [18].
Синтез ПАН окислительно-восстановительной полимеризацией
Гомополимеризацию акрилонитрила проводили методом окислительно-восстановительной полимеризации в колбе при перемешивании в присутствии персульфата аммония и тиосульфата натрия в воде в атмосфере аргона при 40°С в течение 1.5 ч. Выпавший порошкообразный осадок полимера отфильтровывали на воронке Бюхнера, промывали на фильтре водой до отрицательной реакции на сульфат ион и сушили в вакууме при 50°С над P2O5 до постоянной массы. Выход полимера составил 88%. Полимеризация протекала с раскрытием винильной связи мономера в соответствии со схемой:
Синтез нанокомпозитов с наночастицами серебра в матрице ПАН
Синтез серебросодержащего нанокомпозита осуществляли термическим способом диспергирования частиц металлического серебра в полимерной матрице ПАН путем восстановления ионов серебра из AgNO3 при 250°С. Синтез серебросодержащих нанокомпозитов проводили в две стадии.
На первой стадии ПАН (0.5 г, 9.42 ммоля) растворяли в 10 мл азотной кислоты (С = 37%, ρ = = 1.23 г/см3) в фарфоровой чашке при перемешивании (на магнитной мешалке) в течение 6 ч при 30°С. Затем постепенно добавляли 0.05 г AgNO3 (0.2943 ммоля, что соответствует 10% от массы ПАН), растворенного в 1 мл азотной кислоты. Образовывалась суспензия, которую нагревали на водяной бане при 90°С до удаления азотной кислоты и образования стеклообразного осадка светло-желтого цвета. Стеклообразный осадок полимерной соли светло-желтого цвета растирали в фарфоровой ступке с дистиллированной водой, затем путем многократной декантации промывали до получения нейтральной реакции промывных вод, далее промывали этиловым спиртом, после чего сушили в вакуумном шкафу при температуре 40°С до постоянной массы.
На второй стадии полимерный комплекс ПАН−AgNO3 нагревали в термостате в атмосфере сухого воздуха при 250°С в течение 1 ч до образования порошка темно-коричневого цвета с металлическим блеском. Выход продукта составил 68%.
Состав и строение синтезированного полимера устанавливали по данным элементного анализа и ИК-спектроскопии. Элементный анализ выполняли на анализаторе “Flash EA 1112 CHNS-O/MAS 200” фирмы “Thermo Scientific”. ИК-спектры синтезированных образцов снимали на спектрометре “Vertex 70 FTIR” фирмы “Bruker” в таблетках с KBr.
Измерения ГПХ проводили на высокоэффективном гель-проникающем хроматографе “Shimadzu LC-20 Prominence”, включающем дифференциальный рефрактометрический детектор “Shimadzu RID-20A” и хроматографическую колонку “PolyPore” 7.5 × 300 мм (“Agilent”) с соответствующей предколонкой. В качестве подвижной фазы использовали ДМФА особой чистоты для высокоэффективной жидкостной хроматографии со скоростью пропускания потока 1 мл/мин. Для построения калибровочной кривой использовали набор полистирольных стандартов “Polystyrene High EasiVials” (PL2010-0201), состоящий из двенадцати образцов с М = = 162−(657 × 104). Растворение образцов проводили при 80°С в течение 12 ч с применением системы пробоподготовки “Varian PL-SP 260VS”, совмещающей функции управляемого нагревания и перемешивания. Термический анализ сополимеров проводили на синхронном термическом анализаторе “STA 449 Jupiter” фирмы “Netzsch” при скорости нагревания на воздухе 10 град/мин. Масса образцов составляла 5−7 мг. Нанокомпозиты стабильны при нагревании до 320°С.
Спектры ЭПР регистрировали на спектрометре “ELEXSYS E-580” фирмы “Bruker”, X-диапазон 9.7 ГГц, соблюдая следующие условия: модуляция амплитуды 1.0 Гс, модуляция частоты 100 кГц, среднее число сканирований 20, развертка поля 1000 Гс/центр поля 3200 Гс и 100 Гс/центр поля 3460 Гс, константа времени 0.02 с, время конверсии 0.06 с, микроволновая мощность 0.6325 мВт. Концентрацию парамагнитных центров рассчитывали по известному методу [19] с использованием дифенилпикрилгидразила в качестве стандарта. Температурные зависимости сигналов ЭПР изучали при медленном повышении температуры с шагом 20° непосредственно в резонаторе спектрометра в ампулах диаметром 3 мм в атмосфере воздуха.
Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли на порошковом дифрактометре “D8 ADVANCE” фирмы “Bruker” (Cu-излучение). Cодержание металла в исследуемых нанокомпозитах определяли атомно-абсорбционным методом с применением спектрометра “AA-6200” фирмы “Shimadzu”.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате окислительно-восстановительной гомополимеризации акрилонитрила в водной среде в присутствии персульфата аммония и тиосульфата натрия с выходом продукта 88% синтезирован ПАН в виде порошка белого цвета, растворимого в ДМФА, ДМСО, муравьиной и азотной кислотах. В ИК-спектрах полимера отсутствуют полосы поглощения винильных групп (1654, 3130 см–1), наблюдаются характерные полосы акрилонитрильного фрагмента при 2934 см–1 (СН2), 2242 см–1 (C≡N). Среднечисловая молекулярная масса синтезированного ПАН составляет 66211, средневесовая − 141454 (рис. 1). Для полученного ПАН характерно унимодальное ММР с коэффициентом полидисперсности 2.1. Наличие боковых нитрильных групп позволяет получать на их основе нанокомпозиты без применения дополнительного восстановителя, поскольку хорошо известна их способность к изомеризации с формированием лестничного полимера с конденсированными дигидропиридиновыми циклами, которые далее при окислении легко дегидрируются до пиридиновых циклов. При этом образующийся водород способен выступать эффективным восстановителем ионой формы серебра до металлического состояния.
Для синтеза нанокомпозитов в качестве прекурсора металлического серебра был использован нитрат серебра, который добавлялся в раствор полимера, растворенного в азотной кислоте. В результате наблюдалось образование полимерного комплекса [ПАН–Ag+] светло-желтого цвета, выделяемого выпариванием до твердого состояния. Далее комплекс подвергался термическому воздействию при 250°С в течение 1 ч, в результате получены серебросодержащие полимерные нанокомпозиты в виде мелкодисперсного порошка темно-коричневого цвета не растворимые во всех доступных растворителях. Согласно данным атомно-абсорбционного анализа, содержание серебра в полученных нанокомпозитах составляло от 6.8 до 28.4 мас. % (содержание серебра зависит от соотношения полимер–соль серебра). По результатам ИК-спектроскопии установлено, что формирование серебросодержащих полимерных нанокомпозитов сопровождается незначительным изменением химической структуры полимерной матрицы. Такие изменения наблюдались для полос поглощения, соответствующих колебаниям нитрильных групп при 2196−2230 см–1, полосы которых шире чем в исходном полимере (2242 см–1), что указывает на протекание структурных превращений нитрильных блоков. Необходимо отметить, что циклизация акрилонитрильных фрагментов и последующее дегидрирование в случае чистого ПАН требует более высоких значений температуры. В нашем случае мы наблюдали эти процессы при температуре 200°С, что, вероятно, обусловлено каталитическим эффектом металлических наночастиц серебра.
Типичные рентгенограммы нанокомпозитов имеют три основных пика отражения, связанные с (111), (200) и (220) плоскостями гранецентрированной кубической решетки серебра (рис. 2). Экспериментальные значения межплоскостных расстояний (а = 0.4084 нм для нанокомпозитов серебра) для кристаллической фазы хорошо согласуются со стандартным значением Ag(0) (а = = 0.4086 нм). Расчетные размеры наночастиц металлов были определены по формуле Дебая−Шеррера [20]. Средний размер области когерентного рассеяния L наночастиц серебра в полученных образцах варьировался в диапазоне 5−8 нм.
Исходные полимерные соли дают в спектрах ЭПР широкий сигнал с величиной ∆H от 120 до 600 Гс и g-фактором 2.15−2.18 (рис. 3). ЭПР-характеристики полученных комплексов на основе ПАН близки к соответствующим характеристикам для комплексов двухвалентного серебра с макроциклическими лигандами, комплексов на базе сополимеров 1-винил-1,2,4-триазола, в том числе с акрилонитрилом, и других [21–24]. Комплексы серебра в гипервалентных состояниях обычно стабильны, только когда они формируются с неокисляющимися лигандами, способными выдерживать окислительные свойства Ag(II) [25, 26]. Такие высокоокисленные состояния серебра возникают путем диспропорционирования Ag(I), которое приводит к формированию Ag(II)-комплексов полимерных лигандов и металлического нульвалентного серебра Ag(0) [22]: 2Ag+ + + L → Ag2+L + Ag0.
Образование нульвалентного серебра подтверждается появлением в спектрах ЭПР в области g-фактора 2.005 узкого синглета с шириной 8−9 Гс (см. рис. 3). Однако этот сигнал может быть обусловлен наложением сигналов от нульвалентного серебра и полииминовых радикалов, которые могут возникать в волокнах ПАН при температурной обработке и в агрессивных условиях [27]. Для отдельных образцов этот сигнал представляет собой типичный анизотропный триплет, характерный для нитроксильных радикалов (вставка на рис. 3), который быстро исчезает в процессе синтеза нанокомпозита при достижении 250°С.
Возникновение и рост наночастиц удалось отследить мониторингом реакции восстановления комплексов непосредственно в резонаторе спектрометра ЭПР. Исследования проводились при постепенно возрастающей температуре от 20 до 250°C, далее мониторинг синтеза осуществлялся при постоянной температуре 250°C. Так, с началом подъема температуры широкий сигнал ЭПР полимерного комплекса серебра полностью исчезает (рис. 4). Когда температура достигает 250°C, в процессе синтеза наблюдается рост интенсивности узкого синглета (рис. 5) с одновременным его сужением и сдвигом g-фактора в слабое поле. Такая синхронность изменения параметров может быть обусловлена возникновением металлической нанофазы Ag(0) с последующим ростом наночастиц и их стабилизацией полимерной матрицей. Таким образом, формирование нанокомпозита осуществляется в несколько этапов. Как видно на рис. 6, на первом этапе в процессе синтеза наблюдается линейный рост g-фактора сигнала, затем его некоторое снижение через полчаса и дальнейший рост до 2.0055. При этом интенсивность узкого сигнала непрерывно растет с одновременным сужением его в течение часа почти на 1 Гс до постоянного значения. Как увеличение g-фактора, так и изменение ширины сигнала можно объяснить непрерывным образованием множества малых металлических частиц с их постепенным ростом до более крупных наночастиц и последующей стабилизацией в процессе прогревания. Важно, что линия становится несколько асимметричной, что также свидетельствует об образовании серебряных наночастиц. Подобное преобразование спектров ЭПР комплексов меди и серебра до типичного синглета в процессе восстановления при высоких значениях температуры отмечалось ранее в работах [21, 28].
Спектры ЭПР металлических наночастиц сильно отличаются от спектров объемных металлов и зависят от размеров частиц. Наблюдаемые узкие сигналы ЭПР в готовых нанокомпозитах описываются следующими спектральными характеристиками ∆H = 7.0−7.5 Гс, g = 2.0054−2.0055, параметром асимметрии A/B = 1.1 и спиновой концентрацией N порядка 1017−1018 спин/г. Такие узкие линии с g-фактором, близким к свободному электрону ge, обусловлены электронами проводимости металлов с нулевой валентностью [29, 30] и характерны для наночастиц размером 1–2 нм [21, 31–33]. Однако известно, что тройная связь –C≡N в ПАН может претерпевать внутреннюю полимеризацию при высоких значениях температуры, образуя лестничные сопряженные структуры [34]. Следует иметь в виду, что возникающие радикальные центры полисопряженных полимеров также регистрируются в диапазоне близком к ge и аналогичны сигналам ЭПР для металлических наночастиц с нулевой валентностью. Для проверки возможного появления подобных радикальных центров исходный полимер ПАН выдерживался даже в более жестких условиях (270°C в течение 2 ч), в результате чего в спектре ЭПР обнаруживается слабый симметричный синглет с N = 1015−1016 спин/г. Отсюда, в частности, следует, что в полученных нанокомпозитах узкий сигнал является суперпозицией различных по своей природе сигналов от серебряных наночастиц и возможных органических радикалов, связанных с полимерной матрицей.
В процессе мониторинга синтеза нанокомпозитов в спектрах ЭПР при 250°C, кроме того, возникает и постепенно растет новый широкий сигнал с g-фактором в области 2.13−2.16 и шириной 120−250 Гс (см. рис. 5). Такие сигналы также обусловлены электронами проводимости наночастиц серебра [35–38], которые представляют собой уже более крупные агломерированные микрокристаллиты. Для оценки размера частиц использовалась известная теория Кавабата [39], которая определяет зависимость ширины резонансной линии электронов проводимости от геометрических параметров частиц металла. Таким образом, установлено, что диаметр d стабилизированных наночастиц серебра 5−6 нм, что согласуется со средними значениями по данным РФА.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что ПАН способен эффективно стабилизировать наночастицы серебра довольно узкой дисперсии со средним размером 5−8 нм. В ходе синтеза различаются две основные фазы – восстановление ионов серебра на ранней стадии и далее возникновение нанофазы и агломерации наночастиц. Полученные нанокомпозиты парамагнитны и обладают спиновой концентрацией N порядка 1017−1018 спин/г, а рассчитанные из спектральных характеристик средние размеры частиц 5−6 нм. Таким образом, координированные ионы серебра формируются в виде ЭПР-активных наночастиц в процессе восстановления. Как отмечалось выше, сам ПАН способен претерпевать некоторые изменения при температурной обработке и давать вклад в общий магнетизм нанокомпозита. Волокна ПАН, обогащенные наночастицами серебра, обладают уникальными оптическими и каталитическими свойствами, используются в создании функциональных материалов нового поколения для микро- и наноэлектроники, находят применение в аэрокосмической и фармацевтической промышленности.
Работа выполнена с использованием оборудования Байкальского аналитического центра коллективного пользования в Иркутском институте химии им. А.Е. Фаворского Сибирского отделения РАН.
Список литературы
Lehner R., Wang X., Marsch S., Hunziker P. // Nanomedicine: NBM. 2013. V. 9. P. 742.
Khutsishvili S.S., Lesnichaya M.V., Vakul’skaya T.I., Dolmaa G., Aleksandrova G.P., Rakevich A.L., Sukhov B.G. // Spectrosc. Lett. 2018. V. 51. P. 169.
Suresh S. // Nanosci. Nanotechnol. 2013. V. 3. P. 62.
Zhu Y., Stubbs L.P., Ho F., Liu R., Ship C.P., Maguire J.A., Hosmane N.S. // Chem. Cat. Chem. 2010. V. 2. P. 365.
Chaturvedia S., Davea P.N., Shah N.K. // J. Saudi Chem. Soc. 2012. V. 16. P. 307.
Landau U., Anselm K. Bactericidal and Oligodynamic Action of Silver and Copper in Hygien, Medicine and Water Treatment. Stevenage: Finishing Publ. Ltd, 2007.
Rozenberg B.A., Tenne R. // Prog. Polym. Sci. 2008. V. 33. P. 40.
Kausar A. // J. Plast. Film Sheeting. 2019. V. 35. P. 295.
Yusupov K., Khovaylo V., Muratov D., Kozhitov L., Arkhipov D., Pryadun V., Vasiliev A. // J. Electron. Mater. 2016. V. 45. P. 3440.
Kumar S.K., Jouault N., Benicewicz B., Neely T. // Macromolecules. 2013. V. 46. P. 3199.
Folarin O.M., Sadiku E.R., Maity A. // Int. J. Phys. Sci. 2011. V. 6. P. 4869.
Liao G., Fang J., Li Q., Li S., Xu Z., Fang B. // Nanoscale. 2019. V. 11. P. 7062.
Selvam A.K., Nallathambi G. // Fibers Polym. 2015. V. 16. P. 1327.
Gubin S.P., Koksharov Y.A., Khomutov G.B., Yurkov G.Y. // Russ. Chem. Rev. 2005. V. 74. P. 489.
Liu Y., Jiang G., Li L., Chen H., Huang Q., Jiang T., Du X. // MRS Communications. 2015. V. 6. P. 31.
Karbownik I., Rybicki T., Karpińska A.A., Teterycz H. // Mater. Sci. Pol. 2016. V. 34. P. 564.
Rujitanaroj P.-O., Pimpha N., Supaphol P. // J. Appl. Polym. Sci. 2010. V. 116. P. 1967.
Organikum / Eds. by H.G.O. Becker, W. Berger, G. Domschke, E. Fanghänel, J. Faust, M. Fischer, F. Gentz, K. Gewald, R. Gluch, R. Mayer, K. Müller, D. Pavel, H. Schmidt, K. Scholberg, K. Schwetlick, E. Seiler, G. Zeppenfield. Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1986.
Poole C.P. Electron Spin Resonance: a Comprehensive Treatise on Experimental Techniques. Dover: Dover Publ., 1997.
Barret C.A., Massalsky T.B. Structure of Metals. New York: McGraw-Hill, 1966.
Khutsishvili S.S., Vakul’skaya T.I., Kuznetsova N.P., Ermakova T.G., Pozdnyakov A.S., Prozorova G.F. // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. P. 19338.
Ali M., Shames A.I., Gangopadhyay S., Saha B., Meyerstein D. // Transition Metal. Chem. 2004. V. 29. P. 463.
McMilan J.A., Smaler B. // J. Chem. Phys. 1961. V. 35. P. 1698.
Tikhonov N.I., Khutsishvili S.S., Larina L.I., Pozdnyakov A.S., Emel’yanov A.I., Prozorova G.F., Vashchenko A.V., Vakul’skaya T.I. // J. Mol. Struct. 2019. V. 1180. P. 272.
Po H.N. // Coord. Chem. Rev. 1976. V. 20. P. 171.
Murtha O.P., Walton R.A. // Inorg. Chem. 1973. V. 12. P. 1278.
Liu W., Wang M., Xing Z., Wu G. // Radiat. Phys. Chem. 2012. V. 81. P. 835.
Xue H., Bhowmik P., Schlick S. // Macromolecules. 1993. V. 26. P. 3340.
Moon H.R., Kim J.H., Suh M.P. // Angew. Chem. Int. Ed. 2005. V. 44. P. 1261.
Khutsishvili S.S., Vakul’skaya T.I., Aleksandrova G.P., Sukhov B.G. // J. Cluster Sci. 2017. V. 28. P. 3067.
Timoshenko V.A., Shabatina T.I., Morozov Yu.N., Sergeev G.B. // J. Struct. Chem. 2006. V. 47. P. 145.
Michalik J., Yamada H., Brown D.R., Kevan L. // J. Phys. Chem. 1996. V. 100. P. 4213.
Eichelbaum M., Rademann K., Hoell A., Tatchev D.M., Weigel W., Stoser R., Pacchioni G. // Nanotechnology. 2008. V. 19. P. 135701.
Varshavskii V.Ya. // Fibre Chem. 1993. V. 25. P. 442.
Blatter F., Blazey K.W. // Z. Phys. D: At. Mol. Clusters. 1991. V. 18. P. 427.
Ganenko T.V., Tantsyrev A.P., Sapozhnikov A.N., Khutsishvili S.S., Vakul’skaya T.I., Fadeeva T.V., Sukhov B.G., Trofimov B.A. // Russ. J. Gen. Chem. 2015. V. 85. P. 477.
Qu Z., Roduner E. // Asia-Pacific J. Chem. Eng. 2009. V. 4. P. 602.
Lesnichaya M.V., Sukhov B.G., Aleksandrova G.P., Gasilova E.R., Vakul’skaya T.I., Khutsishvili S.S., Sapozhnikov A.N., Klimenkov I.V., Trofimov B.A. // Carbohydr. Polym. 2017. V. 175. P. 18.
Kawabata A. // J. Phys. Soc. Jpn. 1970. V. 29. P. 902.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Высокомолекулярные соединения (серия Б)