ArticlePDF Available

ADSORPTION PROPERTIES OF CHARGED NICKEL NANOPARTICLES - АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЗАРЯЖЕННЫХ НАНОЧАСТИЦ НИКЕЛЯ

Authors:
  • N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of Russian Academy of Sciences (FRCCP RAS)

Abstract

The paper presents results of studying structural and physical characteristics of nickel nanoparticles deposited on supports of graphite, silicon, aluminum, and titanium. Adsorption properties of the nanostructured compositions have been investigated with respect to hydrogen and water molecules. Properties of the nanostructured systems have been examined by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The study has found that shape and size of nanoparticles are practically not affected by nature of support, while a significant impact of support has been revealed for adsorption properties, apparently due to an excessive charge of the nanoparticles. The adsorption results for H2O molecules correlate with the charge sign of the nanoparticles due to the effects associated with the orientation of the H2O dipole molecules. The adsorption of the non-polar hydrogen molecule is not influenced by the charge sign, but correlates with the total value of the resulting excessive charge of the nickel nanoparticles. The results obtained contribute to characterization of nickel-based nanoparticles, which are not only an object of increased interest from basic science, but are already being used in environmental monitoring systems providing leakage control for a variety of hazardous substances in industry. Keywords: nickel nanoparticles, graphite, silicon, aluminum, titanium, hydrogen, water, adsorption, interaction.
ХИМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2018, Том 2, № 2, с. 35 - 44, http://chemsafety.ru
Наноразмерные объекты и наноматериалы
УДК 544.03 DOI: 10.25514/CHS.2018.2.14099
АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЗАРЯЖЕННЫХ
НАНОЧАСТИЦ НИКЕЛЯ
С. Ю. Сарвадий*, А. К. Гатин, М. В. Гришин, Б. Р. Шуб
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики
им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва, Россия, *e-mail: sarvadiy15@mail.ru
Поступила в редакцию 07.11.2018 г.
Аннотация - В работе представлены результаты исследований структуры и физических характеристик
наночастиц никеля, нанесенных на подложки графита, кремния, алюминия и титана, а также адсорбционные
свойства наночастиц по отношению к водороду и воде. Свойства наноструктурированных систем изучались
методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Показано, что такие физические параметры
наночастиц, как форма и размер, практически не зависят от природы подложки, в то время как она оказывает
существенное влияние на адсорбционные процессы.
Ключевые слова: наночастицы никеля, графит, кремний, алюминий, титан, водород, вода, адсорбция,
взаимодействие.
_______________________________________________________________________________
ADSORPTION PROPERTIES OF CHARGED NICKEL NANOPARTICLES
S. Yu. Sarvadii*, A. K. Gatin, M. V. Grishin, and B. R. Shub
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia,
*e-mail: sarvadiy15@mail.ru
Received November 07, 2018
Abstract The paper presents results of studying structural and physical characteristics of nickel nanoparticles
deposited on supports of graphite, silicon, aluminum, and titanium. Adsorption properties of the nanostructured
compositions have been investigated with respect to hydrogen and water molecules. Properties of the nanostructured
systems have been examined by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The study has found that shape and
size of nanoparticles are practically not affected by nature of support, while a significant impact of support has been
revealed for adsorption properties, apparently due to an excessive charge of the nanoparticles. The adsorption results for
H2O molecules correlate with the charge sign of the nanoparticles due to the effects associated with the orientation of
the H2O dipole molecules. The adsorption of the non-polar hydrogen molecule is not influenced by the charge sign, but
correlates with the total value of the resulting excessive charge of the nickel nanoparticles. The results obtained
contribute to characterization of nickel-based nanoparticles, which are not only an object of increased interest from
basic science, but are already being used in environmental monitoring systems providing leakage control for a variety of
hazardous substances in industry.
Keywords: nickel nanoparticles, graphite, silicon, aluminum, titanium, hydrogen, water, adsorption, interaction.
35
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день наночастицы (НЧ) благодаря своим уникальным
свойствам не только являются объектом повышенного интереса со стороны
фундаментальной науки, но уже находят применение в сфере мониторинга
окружающей среды, позволяя выявлять утечки разнообразных вредных веществ
в различных отраслях промышленности. Высокая чувствительность наночастиц
к мельчайшим количествам реагентов – например, взрывчатых или боевых
отравляющих веществ в атмосфере открывает новые горизонты в области
борьбы с международным терроризмом. Важными факторами, определяющими
уникальные физико-химические свойства наночастиц, являются их размеры и
высокое удельное число поверхностных атомов.
Изучению характеристик НЧ посвящены многочисленные работы,
например, обзоры [1, 2]. Среди активно изучаемых на сегодняшний день
наночастиц металлов особое место занимают НЧ никеля, обладающие
необычными биологическими [3], магнитными [4], каталитическими [5]
характеристиками. В работах [6, 7] продемонстрированы различия в структуре
и каталитических свойствах наночастиц никеля, осажденных различными
методами на поверхность оксида алюминия.
Большое влияние на параметры НЧ оказывают их структура и,
следовательно, электронное строение [2]. Очевидно, что исследования НЧ
необходимо проводить методами, обеспечивающими максимальное
пространственное разрешение. Например, для определения геометрических
параметров НЧ использовался метод просвечивающей электронной
микроскопии (ПЭМ) [6, 7]. Установлено, что средний размер частиц Ni может
варьироваться в диапазоне 1,55 нм в зависимости от метода нанесения.
Результаты исследования этих образцов методом рентгеновской
фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) показали, что наночастицы, могут
содержать не только окисленный, но и металлический никель. Такие
наночастицы проявляли высокую начальную активность в реакции
гидродехлорировании хлорбензола при температурах от 370 К. Катализаторы,
включающие преимущественно (более 95 масс. %) окисленный никель,
активны в той же реакции лишь при повышенных температурах 570–620 К
[6,7].
В последнее время большое внимание уделяется вопросам
взаимодействия наночастиц с подложкой, на которую они нанесены. Ряд
исследований, например, обзор [2], указывают на значительное влияние
подложки на физические и химические свойства наночастиц. Для проверки
этого утверждения необходимо использовать методы, обладающие
максимальным пространственным разрешением – зондовые методы [8]. Задачей
данной работы является установление влияния природы подложки на
геометрические параметры единичных наночастиц (форма, размеры) никеля, их
электронное строение и адсорбционные свойства.
36
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для приготовления наночастиц использовали метод пропитки: водный
раствор Ni(NO3)2 с концентрацией металла 2,4·10-5 г/мл наносили на
поверхность подложки, высушивали и прогревали в течение нескольких часов
при Т = 500–750 К в сверхвысоком вакууме. В качестве материала подложки
выступали высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ),
окисленные поверхности монокристаллов кремния, алюминия и титана. Таким
образом, исследовались четыре образца: Ni/ВОПГ, Ni/Si, Ni/Al и Ni/Ti.
Для определения морфологических, электронных и адсорбционных
свойств НЧ Ni использовалась сверхвысоковакуумная установка, включающая
сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), Оже-
спектрометр типа цилиндрическое зеркало, квадрупольный масс-спектрометр,
коммуникации для напуска водорода, устройства подготовки и
транспортировки образцов внутри камеры. Давление остаточных газов в
установке не превышало Р = 2·10-10 мм рт. ст.
Вольфрамовые зонды СТМ были приготовлены стандартным методом
электрохимического травления в 0,1 М водном растворе КОН и после
установки в камеру СТМ подвергались дополнительной обработке ионами
аргона для удаления оксидного слоя.
Морфологию поверхности экспериментальных образцов исследовали в
СТМ, работающем в топографическом режиме постоянного тока, а также в
атомно-силовом микроскопе, работающем в полуконтакном режиме.
Электронное строение НЧ Ni определялось по зависимостям туннельного тока
от напряжения, прикладываемого к наноконтакту СТМ вольтамперных
характеристик (ВАХ). Поскольку при контакте
Поскольку не содержащие примесей острия СТМ при контакте с
металлическими НЧ дают S-образную кривую ВАХ [8], то искажение ее
формы, в частности появление участка с нулевым током, который в некотором
приближении отождествляется с запрещенной зоной, практически означает
изменение химического состава наночастиц [913].
Адсорбционные свойства НЧ Ni по отношению к Н2 и Н2О изучали при
температурах 300 и 750 K и давлении водорода Р = 1·10-6 мм рт. ст. в течение 30
минут или более.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На первом этапе изучали структуру и электронное строение НЧ никеля,
нанесенных на поверхность ВОПГ (образец Ni/ВОПГ). Исследование данного
образца в СТМ позволило установить структуру и электронное строение
единичных НЧ Ni с атомарным пространственным разрешением. Пример
изображения кристаллической решетки на поверхности наночастицы
представлено на рисунке . На нем видно расположение атомов ВОПГ,
образующих решетку С(0001), и расположение атомов на поверхности
кристаллической наночастицы никеля. Анализ параметров решетки
наночастицы (межатомного расстояния и углов между прямыми,
соединяющими атомы в рядах) позволяет заключить, что они соответствуют
37
решетке оксида никеля NiO. Вольтамперные характеристики АХ)
туннельного контакта, включающего НЧ Ni, в сравнении с ВАХ чистого ВОПГ,
приведены на рисунке 1б. На кривой ВАХ имеется участок нулевого тока
(запрещенная зона) шириной около 1,4 эВ. Таким образом, как и следовало
ожидать, НЧ Ni окислены.
а)
б)
Рис. 1. Образец Ni/ВОПГ: а) изображение НЧ Ni на поверхности ВОПГ; б) ВАХ
НЧ Ni и ВОПГ.
Исследование строения и электронной структуры НЧ Ni, нанесенного на
окисленную поверхность монокристалла алюминия (образец Ni/Al) показало,
что на монокристалле оксида алюминия наночастицы распределены в среднем
равномерно, при этом наблюдаются как изолированные наночастицы размером
68 нм, так и кластеры, состоящие из нескольких десятков наночастиц (рис.
2 а). Представленные на рисунке 2 б ВАХ наночастиц и подложки почти
тождественны: на обеих кривых присутствует участок нулевой проводимости
запрещенная зона. Экспериментально измеренное значение ширины
запрещенной зоны подложки составляет всего 3,8 эВ, что значительно меньше
величины, приведенной в литературе [14], но достаточно близко к значению
запрещенной зоны тонкой пленки оксида алюминия φalumina = 4,34,6 эВ [15, 16].
В то же время измеренное значение ширины запрещенной зоны на ВАХ,
соответствующих наночастицам, составляет Езп = 3,5 эВ, что отличается от
литературных данных для массивного кристаллического оксида никеля 4,2 эВ
[17]. По-видимому, это различие обусловлено тем, что образующийся на
поверхности НЧ оксид никеля по своему составу отличается от
стехиометрического NiO и скорее представляет собой NiOx, где 0 < x < 1.
38
а)
б)
Рис. 2. Образец Ni/Al: а) топографическое изображение и б) ВАХ наночастиц и
подложки.
Строение и электронная структура наночастиц никеля, нанесенных на
поверхность окисленного кремния (образец Ni/Si), исследованы методом
сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Топографическое
изображение участка поверхности подложки с находящимися на ней
наночастицами и спектры, измеренные в различных точках поверхности,
представлены на рисунке 3.
Видно, что НЧ Ni на поверхности подложки присутствуют как одиночные
наночастицы с характерным размером 6–8 нм, так и скопления наночастиц. При
этом размер отдельных скоплений может достигать 500 нм, т.е. они состоят из
нескольких сотен наночастиц. На больших площадях наноструктурированное
покрытие представляется достаточно однородным. Измеренные в различных
точках поверхности ВАХ (рис. ) имеют запрещенную зону, ширина которой
равна менее 4 эВ для подложки и несколько больше Езп = 4 эВ для наночастиц.
Симметрия ветвей кривой, измеренной для наночастиц, позволяет сделать
вывод о том, что наночастицы имеют полупроводниковый тип проводимости,
т.е., по крайней мере, снаружи покрыты слоем оксида.
а)
Рис. 3. Образец Ni/Si: а) топографическое изображение и б) ВАХ наночастиц и
подложки.
39
Изображение наночастиц никеля на поверхности окисленного титана
бразец Ni/Ti), а также их вольт-амперные характеристики наряду с ВАХ
подложки представлены на рисунке 4.
а)
б)
Рис. 4. Образец Ni/Ti: а) топография поверхности и б) ВАХ НЧ Ni и ВОПГ.
Из рисунка 4 видно, что на титане образовалось покрытие, состоящее как
из отдельных наночастиц, так и из скоплений наночастиц. Средний
латеральный размер наночастиц составляет 5–7 нм, в то же время размер
скоплений может достигать 100 нм, т.е. каждое скопление состоит из сотни
частиц. Вольтамперные характеристики подложки и наночастиц существенно
различаются, причем кривая, соответствующая наночастицам, имеет
запрещенную зону шириной Езп = 2,5-3 эВ, а кривая, соответствующая оксиду
титана, не имеет запрещенной зоны. Согласно литературным данным [18, 19],
ширина запрещенной зоны оксидов титана TiO2 с различной кристаллической
структурой, измеренная оптическими методами, составляет 3,0-3,2 эВ.
Отсутствие запрещенной зоны на ВАХ подложки может означать, что в пленке
оксида, покрывающей металлический титан, содержится большое число
дефектов, которые значительно изменяют ее электронное строение.
Возможным объяснением может служить также наличие обедненных
кислородом проводящих форм оксида титана (например, TiO) на поверхности
подложки. Таким образом, взаимное влияние двух факторов, а именно большое
число дефектов и обеднение оксида кислородом, может объяснить
исчезновение запрещенной зоны на ВАХ данного образца. Как и в случаях,
описанных выше, наночастицы никеля проявляют полупроводниковый тип
проводимости и, следовательно, по крайней мере, покрыты слоем оксида
никеля.
Таким образом, результаты приведенных выше измерений указывают на
слабую зависимость геометрических параметров наночастиц никеля, а также их
электронного строения и структуры покрытия от природы подложки.
40
Значительный интерес также представляет ответ на вопрос о влиянии
подложки на адсорбционные свойства наночастиц никеля. Для выяснения этого
образцы Ni/ВОПГ, Ni/Al, Ni/Si и Ni/Ti экспонировались в Н2 и Н2О.
Экспозиция наночастиц никеля, входящих в состав образца Ni/ВОПГ, в
Н2 при Т = 300 К не привела к изменению формы ВАХ Дальнейшие
исследования показали, что восстановление водородом НЧ Ni оказывается
возможным только после длительного прогрева t 600 минут при Т = 750 К
(рис. 5). Полученные нами результаты согласуются с данными работы [20], в
которой методами просвечивающей электронной микроскопии наблюдали
восстановление монокристаллического оксида никеля NiO водородом уже при
Т = 600 К и давлении Р = 1 мм рт. ст. Необходимо также отметить, что
восстановление водородом не изменило размер наночастиц.
Рис. 5. Взаимодействие НЧ Ni с Н2 при Т = 750 К.
Исследования взаимодействия НЧ Ni с Н2, выполненные для образцов
Ni/Al, Ni/Si и Ni/Ti, показали, что при Т = 300 К восстановление наночастиц,
нанесенных на окисленный алюминий, не происходит, а наночастицы,
нанесенные на окисленные кремний и титан восстанавливаются.
Аналогичные исследования были проведены для определения
результатов взаимодействия НЧ Ni с парами воды. На рисунке 6 представлены
ВАХ наночастиц никеля, нанесенных на ВОПГ и окисленный алюминий. На
многих ВАХ, измеренных на наночастицах образца Ni/ВОПГ, наблюдаются
локальные максимумы, интервалы по напряжению между которыми
соответствуют с точностью до размерного множителя квантам электронно-
колебательного возбуждения молекул воды 0,4 и 0,2 эВ (рис. 6 а, кривые В и С).
Причины появления таких особенностей связаны с резонансным
туннелированием электронов через электронно-колебательные уровни
адсорбированных молекул и подробно описаны в [21].
Результаты взаимодействия паров воды с наночастицами никеля,
нанесенными на окисленный алюминий, оказались иными. После удаления
паров воды из сверхвысоковакуумной камеры проводились измерения ВАХ
туннельного наноконтакта СТМ, включающего наночастицы. Пример ВАХ
представлен на рисунке 6 б. На этой кривой видны четыре особенности
(отмеченные стрелками) при V1 = -1,95 В, V2 = -1,4 В, V3 = 1 В и V4 = 1,6 В.
41
Интервалы по напряжению между ними не соответствуют ожидаемым
значениям ΔV = EOH / e = 0,45 В, где EOH энергия электронно-колебательного
возбуждения ОН-связи, е = 1 – элементарный заряд. Однако учет толщины слоя
поверхностного оксида (около 1 нм) позволяет заключить, что наблюдаемые
особенности возникли благодаря резонансному туннелированию электронов
через уровни колебательного возбуждения связи ОН. Отсутствие различимых
на ВАХ особенностей, связанных с деформационным колебанием молекулы
Н2О, по-видимому, означает, что при адсорбции воды произошла диссоциация,
сопровождающаяся образованием ОН-групп.
Аналогичные эксперименты были выполнены и для наночастиц никеля,
нанесенных на окисленные кремний и титан. В результате установлено, что
адсорбция воды на наночастицах никеля, нанесенных на ВОПГ и Si, проходит
без диссоциации, а адсорбция воды на наночастицах никеля, нанесенных на Al
и Ti, протекает диссоциативно.
Для объяснения эффектов, наблюдаемых при адсорбции Н2 и Н2О, можно
рассмотреть вопрос о заряде нанесенных наночастиц. В таблице 1 приведены
величины работ выхода электронов из различных материалов. Из этой таблицы
следует, что в образцах Ni/ВОПГ и Ni/Si наночастицы заряжены положительно,
а в образцах Ni/Al, и Ni/Ti – отрицательно. Результаты адсорбции молекул Н2О
коррелируют со знаком заряда наночастиц, и в них, по-видимому, превалируют
эффекты, связанные с ориентацией диполей – молекул Н2О.
а)
б)
Рис. 6. ВАХ НЧ Ni после экспозиции в парах Н2О: а) ВАХ ВОПГ (кривая А) и
ВАХ Ni (кривые В и С) для образца Ni/ВОПГ, б) ВАХ Ni образца Ni/Al.
В то же время адсорбция неполярной молекулы водорода не зависит от
знака заряда наночастиц, но коррелирует с величиной разности работ выхода из
никеля и материала подложки, т.е. с величиной заряда наночастиц. Это
означает, что ведущая роль в этом процессе принадлежит электрическому
полю, которое может значительно изменить взаимное расположение уровня
42
Ферми наночастиц и связывающих и антисвязывающих термов молекулы
водорода, т.е. ускорять или замедлять их распад.
Таблица 1. Величины работ выхода электронов из ряда материалов [22]
Материал
Значение работы выхода, эВ
Знак заряда наночастиц Ni
кремний
4.8
+
углерод
4.7
+
никель
4.5
0
алюминий
4.25
-
титан
3.95
-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что взаимодействие с различными
подложками не оказывает существенного влияния на форму и размер
наночастиц никеля, однако приводит к изменению их адсорбционных свойств
за счет возникновения избыточного заряда. Можно заключить, что
взаимодействие наночастиц никеля с водородом обусловлено величиной заряда
наночастиц, а взаимодействие с водой – знаком их заряда.
Работа выполнена в рамках государственного задания № 0082-2014-0011
«Нанохимия» (АААА-А17-117111600093-8).
ACNOWLEGEMENT
This work was performed in accordance with Government Task no. 0082-2014-0011,
“Nanochemistry, Government Registration No. АААА-А17-117111600093-8.
Список литературы:
1. Бухтияров В.И., Слинько М.Г. // Усп. хим. 2001. Т. 70. № 2. С. 179.
2. Cuenya B.R. // Thin Solid Films. 2010. V. 518. P. 3127.
3. Capasso L., Camatini M., Gualtieri M. // Toxicol. Lett. 2014. V. 226. P. 28.
4. Borse P.H., Yi J.M., Je J.H. et al. // Nanotechnology. 2004. V. 15. P. S389.
5. Rostovshchikova T.N., Smirnov V.V., Gurevich S.A. et al. // Catal. Today. 2005. V. 105. P. 344.
6. Lokteva E.S., Peristyy A.A., Kavalerskaya N.E. et al. // Pure Appl. Chem. 2012. V. 84. No. 3. P.
495.
7. Кавалерская Н.Е., Локтева Е.С., Ростовщикова Т.Н., Голубина Е.В., Маслаков К.И. //
Кинетика и катализ. 2013. T. 54. 5. C. 631.
8. Scanning Tunnelling Microscopy I. General principles and applications to clean and absorbate-
covered surfaces. Ed. by H.-J. Guntherodt, R. Wiesendanger. Berlin: Springer-Verlag, 1992. Р.
246.
9. Binnig G., Rohrer H., Berber C., Weibel E. // Appl. Phys. Lett. 1981. V. 40. No. P. 178.
10. Meyer E., Hug H.J., Bennewitz R. Scanning Probe Microscopy. Berlin: Springer, 2004. P. 210.
11. Hamers R.J., Wang Y.J. // Chem. Rev. 1996. V. 96. No. 4. P. 1261.
12. Hamers R.J., Tromp R.M., Demuth J.E. // Phys. Rev. Lett. 1986. V. 56. No. 18. P. 1972.
13. Гатин А.К., Гришин М.В., Далидчик Ф.И. и др. // Хим. физика. 2006. T. 25. 6. C. 17.
14. Song W., Yoshitake M. // Appl. Surf. Sci. 2005. V. 251. P. 14.
15. Chapman R.A. // J. Appl. Phys. 1964. V. 35. P. 2832.
16. Heinke L., Lichtenstein L., Simon G. H. et al. // ChemPhysChem. 2010. V. 11. P. 2085.
17. Irwin M.D., Buchholz D.B., Hains A.W. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2008. V. 105. No. 8. P.
2783.
43
18. Mo S.-D., Ching W.Y. // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 13023.
19. Tang H., Prasad K., Sanjines R., Schmid P. E., Levy F. // J. Appl. Phys. 1994. V. 75. P. 2042.
20. Faes A., Jeangros Q., Wagner J.B. et al. // ECS Transactions. 2009. V. 25. No. 2. P. 1985.
21. Kovalevskii S., Dalidchik F., Grishin M., Kolchenko N., Shub B. // Appl. Phys. A. 1998. V. 66.
P. S125.
22. Физические величины. Справ. под ред. Н.С. Григорова, Е.З. Мейлихова. М.:
Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
References:
1. Bukhtiyarov V.I., Slin’ko M.G. // Russ. Chem. Rev. 2001. V. 70. No. 2. P. 147. doi:
10.1070/RC2001v070n02ABEH000637.
2. Cuenya B.R. // Thin Solid Films. 2010. V. 518. P. 3127. doi: 10.1016/j.tsf.2010.01.018.
3. Capasso L., Camatini M., Gualtieri M. // Toxicol. Lett. 2014. V. 226. P. 28. doi:
10.1016/j.toxlet.2014.01.040.
4. Borse P.H., Yi J.M., Je J.H. et al. // Nanotechnology. 2004. V. 15. P. S389. doi: 10.1088/0957-
4484/15/6/013.
5. Rostovshchikova T.N., Smirnov V.V., Gurevich S.A. et al. // Catal. Today. 2005. V. 105. P. 344.
doi: 10.1016/j.cattod.2005.06.034.
6. Lokteva E.S., Peristyy A.A., Kavalerskaya N.E. et al. // Pure Appl. Chem. 2012. V. 84. No. 3.
P. 495. doi: 10.1351/PAC-CON-11-07-12.
7. Kavalerskaya, N.E., Lokteva, E.S., Rostovshchikova, T.N. et al. // Kinet. Catal. 2013. V. 54.
No. 5. P. 597. doi: 10.1134/S0023158413050066.
8. Scanning Tunnelling Microscopy I. General principles and applications to clean and absorbate-
covered surfaces. Ed. by H.-J. Guntherodt, R. Wiesendanger. Berlin: Springer-Verlag, 1992. Р.
246.
9. Binnig G., Rohrer H., Berber C., Weibel E. // Appl. Phys. Lett. 1982. V. 40. No. P. 178. doi:
10.1063/1.92999.
10. Meyer E., Hug H.J., Bennewitz R. Scanning Probe Microscopy. Berlin: Springer, 2004. P. 210.
doi: 10.1007/978-3-662-09801-1.
11. Hamers R.J., Wang Y.J. // Chem. Rev. 1996. V. 96. No. 4. P. 1261. doi: 10.1021/cr950213k.
12. Hamers R.J., Tromp R.M., Demuth J.E. // Phys. Rev. Lett. 1986. V. 56. No. 18. P. 1972. doi:
10.1103/PhysRevLett.56.1972.
13. Gatin A.K., Grishin M.V., Dalidchik F.I. et al. // Khimicheskaya Fizika [Russian Journal of
Physical Chemistry B]. 2006. V. 25. No. 6. P. 17 [in Russian].
14. Song W., Yoshitake M. // Appl. Surf. Sci. 2005. V. 251. P. 14. doi:
10.1016/j.apsusc.2005.03.116.
15. Chapman R.A. // J. Appl. Phys. 1964. V. 35. P. 2832. doi: 10.1063/1.1713115.
16. Heinke L., Lichtenstein L., Simon G. H. et al. // ChemPhysChem. 2010. V. 11. P. 2085. doi:
10.1002/cphc.201000060.
17. Irwin M.D., Buchholz D.B., Hains A.W. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2008. V. 105. No. 8. P.
2783. doi: 10.1073/pnas.0711990105.
18. Mo S.-D., Ching W.Y. // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 13023. 10.1103/Phys. Rev. B.51.13023 .
19. Tang H., Prasad K., Sanjines R., Schmid P. E., Levy F. // J. Appl. Phys. 1994. V. 75. P. 2042.
doi: 10.1063/1.356306.
20. Faes A., Jeangros Q., Wagner J.B. et al. // ECS Transactions. 2009. V. 25. No. 2. P. 1985. doi:
10.1149/1.3205743.
21. Kovalevskii S., Dalidchik F., Grishin M., Kolchenko N., Shub B. // Appl. Phys. A. 1998. V. 66.
P. S125. doi: 10.1007/s003390051.
22. Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovskii A.M. et al. Physical values. Reference book;
edited by N.S. Grigorov, E.Z. Meylikhov. M.: Energoatomizdat, 1991. P. 1232 [in Russian].
44
... The production of composite materials based on nanoparticles is one of the most effective and rapidly developing branches of modern materials science [1]. Their unique physicochemical properties are due to the high specific number of surface atoms and their key characteristics such as particle size, shape, and distribution [2,3]. The preparation and study of various compounds in the nanometer range can significantly expand the scope of their potential applications [4,5]. ...
... Materials based on nickel nanoparticles are extremely sensitive to the presence of even trace amounts of substances and therefore can be used as indicators [3]. Nickel-based catalysts can be reused (up to four cycles) without any additional processing [5]. ...
... The nanometer size allows the particles to easily penetrate the cell wall and disrupt the transport of substances across the cell membrane [4,7], causing oxidative stress due to the formation of reactive oxygen species, which leads to the death of bacteria [7,9]. Nickel nanoparticles exhibit cytotoxic activity due to their higher adsorption capacity [2,6], which can be increased by applying them to polymer substrates [3,6]. ...
Article
Full-text available
Polymer composites with nanoparticles localized on the surface of polytetrafluoroethylene microgranulesare synthesized by the method of thermal decomposition of metal-containing nickel salts. The synthesizednanoparticles are characterized by transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffractionanalysis. The size of the nanoparticles ranged from 3.5 to 8 nm, depending on the precursor. It follows fromthe data obtained that the particles have a complex composition. The study of magnetic properties shows thatthe system of magnetic nickel-containing nanoparticles in the samples at room temperature is in a ferromagneticor superparamagnetic state. The blocking temperature and coercive force are calculated for each sample.
... The production of composite materials based on nanoparticles is one of the most effective and rapidly developing branches of modern materials science [1]. Their unique physicochemical properties are due to the high specific number of surface atoms and their key characteristics such as particle size, shape, and distribution [2,3]. The preparation and study of various compounds in the nanometer range can significantly expand the scope of their potential applications [4,5]. ...
... Materials based on nickel nanoparticles are extremely sensitive to the presence of even trace amounts of substances and therefore can be used as indicators [3]. Nickel-based catalysts can be reused (up to four cycles) without any additional processing [5]. ...
... The nanometer size allows the particles to easily penetrate the cell wall and disrupt the transport of substances across the cell membrane [4,7], causing oxidative stress due to the formation of reactive oxygen species, which leads to the death of bacteria [7,9]. Nickel nanoparticles exhibit cytotoxic activity due to their higher adsorption capacity [2,6], which can be increased by applying them to polymer substrates [3,6]. ...
Article
Full-text available
Polymer composites with nanoparticles localized on the surface of polytetrafluoroethylene micro-granules are synthesized by the method of thermal decomposition of metal-containing nickel salts. The synthesized nanoparticles are characterized by transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction analysis. The size of the nanoparticles ranged from 3.5 to 8 nm, depending on the precursor. It follows from the data obtained that the particles have a complex composition. The study of magnetic properties shows that the system of magnetic nickel-containing nanoparticles in the samples at room temperature is in a ferromag-netic or superparamagnetic state. The blocking temperature and coercive force are calculated for each sample.
Article
Full-text available
Magnetic nanostructures are attracting tremendous interest as regards application in high-density data storage devices and magnetic fluids. We have prepared magnetic nanoparticles ({\sim } 7.5 nm) by x-ray irradiation of electroless solutions and furthermore have investigated their structural and magnetic properties. Interestingly, we find that the formation of these Ni nanoparticles occurs spontaneously, during the room temperature process, dominantly at electrolyte pH of 8.2. The hydrated electrons produced during the irradiation of electroless solution seem to play a decisive role in the spontaneous formation and growth of nanoparticles. The possible surface alloying and/or coating over these pure Ni cores occurs only upon longer irradiation of high-P-content solutions. This suggests a possible catalytic behaviour of these nano-Ni surfaces in relation to P counter-ions in the irradiated solutions. The magnetic properties of these 'as-received' particles have been studied using a vibrating sample magnetometer. The saturation magnetic moment per gram for the Ni particles is 9.38 emu g−1, which is 17% of the saturation moment of bulk ferromagnetic Ni at room temperature; this can be attributed due to the size effect of these magnetic domains. The symmetric hysteresis loop about the zero-field axis showing negligible loop shift (\Delta H_{\mathrm {c}}\sim 3 –10 Oe) suggests that Ni particles are free from oxide layers.
Article
The low-percentage Ni/Al2O3 catalysts with active metal contents of 0.0002–0.1 wt % were prepared using the laser electrodispersion (LED) method and by means of supporting from a colloidal dispersion (CD). Their composition and physicochemical properties were determined by atomic absorption spectrometry, transmission electron microscopy (TEM), and XPS. With the use of TEM, it was found that average size of nickel particles in the LED catalysts was smaller than that in the CD catalysts. According to XPS data, the supporting of a metal onto a substrate by the LED method makes it possible to obtain samples containing Ni metal with a low active metal content (0.03 wt %). They exhibited a high initial activity in the hydrodechlorination reaction of chlorobenzene in a vapor phase, which was performed in a flow system at temperatures of 100–350°C. The CD catalysts were active in this reaction only at temperatures of 300–350°C. Reductive treatment led to the deactivation of LED catalysts and increased the activity and stability of samples prepared by supporting from a CD. The possible reasons for the observed changes are considered.
Article
Laser electrodispersion (LED) of metals is a promising technique for the preparation of heterogeneous catalysts as an alternative to wet impregnation of supports with the corresponding salt solutions. The LED technique can be used to deposit highly active chloride- and nitrate-free metal nanoparticles onto carbon or oxide supports. We report preparation and properties of new Ni-, Pd-, and Au-containing alumina-supported catalysts with low metal loadings (10(-3)-10(-4) % mass) and their comparison with the previously studied carbon (Sibunit) supported systems. The catalysts demonstrate high stability and extremely high specific catalytic activity (by 2-3 orders of magnitude higher than for traditional catalysts) in the gas-phase hydrodechlorination (HDC) of chlorobenzene (CB).
Article
Since the first demonstration of true atomic resolution with a scanning force microscope in 1995 a large variety of samples have been imaged with atomic resolution. In 2000 Giessibl obtained atomic resolution with a (macroscopic) tuning fork operated with small oscillation amplitudes that correspond to the length of the inter-atomic interaction potentials. However, tuning fork sensors have a series of disadvantages that can all be overcome by optimized micro-fabricated cantilevers operated at similarly small or even smaller oscillation amplitudes. With their small mass and high mechanical quality factor, particularly after appropriate annealing in UHV force sensitivities that are orders of magnitude better than that of tuning forks and also far better than that of the best NEMS sensors is obtained. Recently Kawai et al and Sugimoto et al obtained atomic resolution with cantilevers with a operated in higher oscillation modes with sub-nanometer amplitudes. In order to make use of the excellent force sensitivity we developed a Fabry-Perot type interferometer optical sensor that maps flexural and torsional cantilever oscillations with fm/sqrt(Hz) deflection sensitivity. This deflection sensor allows the use of sub-å cantilever oscillation amplitudes and thus the direct measurement of atomic interaction force gradients and, -- in principle, the use of advanced tunnelling spectroscopy techniques that are well-established in the field of scanning tunnelling microscopy. The simultaneous mapping of flexural and torsional oscillation modes further allows the measurement of vertical and lateral tip-sample interaction forces and corresponding atomic scale energy loss processes.
Article
The reactivities of metallic nanosystems in catalytic processes are considered. The activities of nanoparticles in catalysis are due to their unique microstructures, electronic properties and high specific surfaces of the active centres. The problems of increasing the selectivities of catalytic processes are discussed using several nanosystems as examples. The mutual effects of components of bimetallic nanoparticles are discussed. The prospects for theoretical and experimental investigations into catalytic nanosystems and the construction of industrial catalysts based on them are evaluated. The bibliography includes 207 references.
Article
We have investigated the oxidation of NiAl(110) surface at 1020 and 670K using ultra-violet photoelectron spectroscopy, Kelvin probe, X-ray photoelectron spectroscopy and low-energy electron diffraction. The work function change during oxidation was monitored in situ as a function of oxygen exposure. It was observed that the work function decreased by 0.6eV after 7.9Å of well-ordered Al2O3 formation on NiAl(110) at 1020K. The formation of the interfacial dipole layer was the main factor that determined the work function and XPS binding energy shifts of Al2O3 energy levels. The work function decreased by 0.8eV after 5.1Å of amorphous Al2O3 formation at 670K. The oxide layer structure was one of the key factors that determined the work function of the Al2O3/NiAl(110) system.
Article
Thin nanostructured films consisting of monodispersive and amorphous Cu, Ni, or Pd nanoparticles were prepared by means of laser electrodispersion technique. These films were deposited on dielectric (thermally oxidized silicon) or semiconductor (naturally oxidized Si) supports, and the resulting particle surface density was closely controlled by the time of deposition. The nanoparticle size was 5 nm for Cu, 2.5 nm for Ni, and 2 nm for Pd. In all cases, the relative particle size dispersion was less than 10%. The most important common feature of the fabricated catalysts is their unusually high activity, which has been observed in several test reactions including chlorohydrocarbon conversions (Cu and Ni) and hydrogenation (Ni and Pd). The observed strong dependencies of the catalytic activity on the particle surface density and on the nature of the support clearly indicate that alongside with small particle size and their amorphous state, inter-particle interactions or particle interaction with the support play decisive role in determining the catalytic activity.
Article
Electrical and optical spectroscopic studies of TiO 2 anatase thin films deposited by sputtering show that the metastable phase anatase differs in electronic properties from the well‐known, stable phase rutile. Resistivity and Hall‐effect measurements reveal an insulator–metal transition in a donor band in anatase thin films with high donor concentrations. Such a transition is not observed in rutile thin films with similar donor concentrations. This indicates a larger effective Bohr radius of donor electrons in anatase than in rutile, which in turn suggests a smaller electron effective mass in anatase. The smaller effective mass in anatase is consistent with the high mobility, bandlike conduction observed in anatase crystals. It is also responsible for the very shallow donor energies in anatase. Luminescence of self‐trapped excitons is observed in anatase thin films, which implies a strong lattice relaxation and a small exciton bandwidth in anatase. Optical absorption and photoconductivity spectra show that anatase thin films have a wider optical absorption gap than rutile thin films.
Article
The thermionic work function of aluminum electrodes with anodized aluminum oxide coatings of 30 and 2000 Å was determined for each electrode from the contact potential difference of each electrode with a well outgassed and aged polycrystalline tungsten wire emitter. In vacuum, the thermionic work function of the 30-Å coated electrode was 4.3±0.1 eV, relative to a polycrystalline tungsten work function of 4.6 eV and a tungsten emission constant of 120 A/cm2· °K2. In cesium vapor at reservoir temperatures up to 70°C, the 30-Å coated electrode had a minimum observed work function of 1.4±0.1 eV relative to the same tungsten reference electrode. The resistance of the 2000-Å film coated collector electrode was too large to allow accurate determination of the work function of this electrode. In both vacuum and cesium vapor, however, there was an indication that the work function of the 2000-Å coated electrode was a few tenths of an electron volt lower than that for the 30-Å coated electrode. It is suggested that similar but perhaps less stable oxide-coated electrodes could occur naturally on the collector of a thermionic energy converter due to oxidation of the collector surface or buildup on the collector surface of outgassing products from the emitter. Auxillary experiments were performed on the secondary-electron emission from these oxide-coated electrodes. No lingering secondary electron emission current corresponding to a Malter effect was observed. The true secondary yield from the 2000-Å coated electrode was 3 in vacuum and 7 in cesium vapor for a primary electron energy of 150 eV. The secondary yield for the 30-Å coated electrode was similar in cesium vapor but was not studied in vacuum.
Article
We report on the first successful tunneling experiment with an externally and reproducibly adjustable vacuum gap. The observation of vacuum tunneling is established by the exponential dependence of the tunneling resistance on the width of the gap. The experimental setup allows for simultaneous investigation and treatment of the tunnel electrode surfaces.