способ получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля на переменном токе

Формула изобретения

Способ получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля в 17 М растворе гидроксида натрия электролизом на переменном синусоидальном токе частотой 20 Гц с никелевыми электродами, отличающийся тем, что процесс электролиза проводят при температуре 20-30°C и напряжении на электродах 4 В.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения порошков оксидов металлов, а именно к способам получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля. Полученный порошок может быть использован для приготовления катализаторов, которые используются в синтезе углеродных нанотрубок.

Существует различные способы получения ультрамикродисперсных частиц никеля и его оксида. Их условно можно разделить на три большие группы: химические; физические и физико-химические способы.

1. Химические способы

К ним относится газофазное осаждение, восстановление в твердой и жидкой фазе, пиролиз, золь-гель технологии.

Метод синтеза наноразмерных частиц оксида никеля состоит в осаждении его из азотнокислых растворов в спиртовой среде (этанол, пропанол) разбавленным раствором гидроксида натрия при температуре 60 80°C, с последующим промыванием осадков водой, и просушиванием при температуре 50°C. Полученные гидратированные оксиды никеля NiO·nH₂O имеют удельную поверхность 280 мг/см² [Л.Н. Трушникова, В.В. Соколов, В.В. Баковец. Получения наноразмерных частиц оксидов церия, меди, кобальта и никеля // Вторая всероссийская конференция по наноматериалам «Нано-2007». 13-16 марта 2007 года. Новосибирск. С.248]. Одной из проблем получения таких материалов из водных растворов является агломерация ультратонких частиц. Для предотвращения слипания используют органические жидкости, в том числе спирты. Этот дорогой и малопроизводительный способ находит применение только в лабораториях и для специальных целей.

Существует метод синтеза нанодисперсного порошка оксида никеля осаждением из растворе и, в которых в качестве исходных реагентов используется нитрат никеля, а осадителем служит карбонат аммония [А.Г. Белоус, О.З. Янчевский, А.В. Крамаренко. Получение наноразмерныхчастиц оксидов никеля и кобальта из растворов // Журнал прикладной химии, 2006, № 3. С.353-357]. Образовавшиеся при термическом разложении основных карбонатов частицы оксида никеля имеют округлую форму с размерами частиц 5 10 нм.

Наночастицы никеля синтезируют радиционно-химическим методом в обратных мицеллах [С.В. Горностаева, А.А. Ревин. Синтез и свойства нано-размерных частиц никеля и нанокомпозитов на их основе // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2008. № 4. С.400-403]. Для приготовления раствора используют кристаллогидрат нитрата никеля и тридистиллированную воду. Для получения обратных мицелл в качестве поверхностно-активного состава использовали раствор бис-(2-этилгексил) и сульфосукцината натрия в изооктане. Адсорбция наночастиц никеля проводится на силохроме. Приготовленный раствор облучают на установке РХМ- -20 (источник ⁶⁰Co). Мощность поглощения дозы облучения по ферросульфатному дозиметру равна 0,26 Гр/с. Злачения дозы облучения - 17,8 кГр. Полученные наночастицы никеля имеют сферическую форму и размеры порядка 1 100 нм. Обнаружено, что в кислороде воздуха металлические частицы никеля окисляются до наночастиц оксида никеля (II).

Предложен способ получения нанодисперсных частиц оксида никеля химическим восстановлением из водных растворов солей никеля [А.Л. Новожилов, Г.В. Нарсеева, Л.В. Серов. Получение наночастиц никеля // VII Международная конференция. Кисловодск - Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - 510 с]. В качестве стабилизатора используют 1% водный раствор поливинилового спирта, в качестве восстановителя применяют боргидрид натрия. При этом концентрацию сульфата никеля варьируют от 0,1 до 0,001 моль/дм³, боргидрида натрия - от 1,0 до 0,01 моль/дм³. Получаемая суспензия весьма устойчива и сохраняемся во взвешенном состоянии более недели. Размеры частиц, находящиеся в этом растворе, имеют средний радиус 280 нм, при большой асимметрии кривой распределение в сторону увеличении размера частиц.

Порошок никеля получают путем восстановления из растворов солей никеля элементарным фосфором, взятым в активной форме в щелочной среде, причем перед восстановлением в исходные растворы вводят силиконовый жир [а.с. № 1479539, кл. С22И 23/04, 16.03.87, опубл. 15.05.89]. Получающиеся порошки отличаются высокими ферромагнитными свойствами, а также малым насыпным весом.

Известен способ выделения порошка никеля из отработанных растворов химического никелирования, включающий восстановление его из растворов гипофосфитом натрия, отличающейся тем, что с целью снижения содержания ионов никеля в растворе до предельно допустимых концентраций в отходах гальванических производств восстановление никеля проводят в присутствии порошка никеля при pH 6,5 7,0, температурах 65 70°C и соотношении содержания ионов никеля и гипофосфата натрия 1:5 [а.с. № 1673616, кл. C22B 3//44, C22B23/00, 31.05.89, опубл. 30.08.91].

Известны способы получения порошка никеля путем восстановления его солей водородом: по способу [Заявка ФРГ № 2244746, кл. C22B 23/04, опубл. 10.07.75] раствор двухлористого никеля обрабатывают газообразным аммиаком или водным раствором аммиака, полученный осадок Ni(NH₃)₆Cl ₂ отделяют фильтрованием, сушат до частичного превращения в Ni(NH₃)₂Cl₂ и восстанавливают при 450 1000°C водородом; по способу [Заявка Франции № 2227336, кл. C22B23/04, B22A 9/00, опубл. 27.12.75] исходный раствор соли никеля обрабатывают оксалатом щелочного металла, образовавшийся осадок восстанавливают в автоклаве водородом в присутствии гидроксида щелочного металла.

Предложен способ получения никелевого порошка методом водородного осаждения в автоклаве при повышенной температуре и давлении [а.с. № 1126374, кл. B22F 9/24, C22B23/04, 18.05.82. опубл. 30.11.84]. С целью повышения активности порошка и удешевления процесса осаждение ведут из водной пульпы карбоната никеля с добавкой сульфат-иона в количестве эквивалентном 0,05 моль никеля на 1 моль карбоната никеля, а после осаждения пульпы вводят ингибитор с восстановительными свойствами. В качестве ингибитора используют муравьиную кислоту в количестве 0,5 2 г на 1 дм³ пульпы никелевого порошка.

2. Физические способы

К ним относятся приемы, основанные на процессах испарения и конденсации. Порошки образуются в результате фазового перехода пар - твердое тело или пар - жидкость - твердое тело в газовом объеме либо на охлаждаемой поверхности.

Разработан новый технологический процесс производства нанопорошка никеля в атмосфере различных газов - воздух, аргон, азот, гелий, ксенон. Процесс заключается в испарении твердых природных или техногенных исходных материалов с последующим быстрым охлаждением высокотемпературного пара и конденсацией вещества в виде наночастиц [С.П. Бардаханов, A.И. Корчагин, Н.К. Куксапов, А.В. Лаврухин, Р.А. Салимов, С.Н. Фадеев, B.В. Черепков. Получение панодпсперсных порошков на мощном ускорителе электронов при атмосферных условиях // Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике. Новосибирск, 27-31 мая, 2005 г. http://www.ict.nsc.m/ws/show_abstract.dhtml?ru+120+66]. Последние могут иметь различные размеры от 10 до 500 им. Процесс обеспечивает температуру достаточную для испарения любого материала, при температуре нагрева более 1000 К/с. Дополнительным преимуществом является меньшее число стадий производства.

Получение порошка оксида никеля осуществляется также электрическим взрывом никелевой проволоки с различными диаметрами и длиной [Ю.А. Котов, А.В. Багазеев, И.В. Бекетов. Характеристика порошков оксида никеля, полученных электрическим взрывом проволоки // Журнал технической физики. 2005, том 75, вып 10. С.39-41.]. Применяют разрядный контур с индуктивностью 0,5 мкГн и емкостью батареи конденсаторов 3,2 мкФ. Зарядное напряжение изменяют от 10 до 33 кВ. Взрыв проводят при нормальном давлении в смеси азота и кислорода и изменении концентрации последнего от 10 до 30%. Получаемые частицы имеют разнообразную форму как монокристаллической, так и поликристаллической структуры с размером частиц около 100 нм.

3. Физико-химические методы

К ним относятся процессы испарение - конденсация с участием химических реакций, электроосаждение, сушка - вымораживанием.

Ультрамикродисперсный порошок оксида никеля может быть получен с помощью метода сушки вымораживанием [Roehrig F.K., Wright Т.R. Freeze drying: a unigue approach to the synthesis of ultrafme powders. - J. Vac. Sci. and Techn., 1972. 9. № 6. P.1368-1372]. Из исходных материалов, в частности солей металлов, приготавливают раствор необходимого состава, который быстро замораживает путем распыления в камеру с криогенной средой (например, с жидким азотом). Затем давление газовой среды над замороженными гранулами уменьшают таким образом, чтобы оно было ниже точки равновесия образовавшийся при охлаждении системы, и материал нагревают в вакууме до возгонки растворителя. Полученный продукт состоит из тончайших пористых гранул одинакового состава. Дальнейшая их обработка зависит от назначения конечного порошка. Прокаливанием гранул в воздухе можно получить оксиды никеля, восстановлением - порошок соответствующего металла.

Порошок никеля получают электролизом аммиачных растворов сернокислого никеля (исходным материалом является NiSO₄·7H ₂O). Электролит содержит 5 15 г/дм³ никеля (Ni % 75 80 г/дм³ сульфата аммония, 2 3 г/дм³ серной кислоты, 40 50 г/дм³ хлорида аммония и до 200 г/дм³ хлорида натрия. Электролиз ведут при температуре электролита 35 55°С, плотности тока 1000 3000 А/м² и напряжении на ванне 10 15 В. Выход по току со ставляет до 90 94%, а расход электроэнергии около 3000 кВт·ч/т [Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия. 1975. с.250].

Описан процесс получения порошков оксидов никеля электролизом на симметричном переменном токе (50 Гц), согласно которому, максимальная скорость разрушения никеля - 20 мг/(см ²·ч) наблюдается в 46% растворе гидроксида натрия при плотности тока 2,5 А/см, температуре электролита 70°С [В.В. Коробочкин. Разрушение никеля и кадмия при электролизе переменным током промышленной частоты // Известия Томского политехнического университета. 2003. № 1. С.23-24].

Наиболее близким по технической сущности и получаемому эффекту к заявляемому способу является метод получения оксида никеля, описанный в работе [Е.Ю. Никифорова и др. «Разработка электрохимического способа получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля электролизом на переменном синусоидальном токе». Материалы II Всероссийская научно-инновационная молодежная конференция с международным участием «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент». - Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. - С.235-237] (прототип). Способ осуществляется в термостатируемой ячейке в 17 М растворе гидроксида натрия при частоте тока 20 Гц и напряжении на электродах 4 В. Постоянную температуру раствора 70°С в ячейке поддерживают при помощи термостата с точностью 0,5°С.

Предлагаемый нами способ получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля на переменном синусоидальном токе с никелевыми электродами проводится в 17 М растворе гидроксида натрия, при частоте тока 20 Гц, температуре 20-30°С и напряжении 4 В. Скорость разрушения никелевых электродов (образования ультрамикродисперсного порошка оксида никеля) не уменьшается по сравнению с прототипом.

Способ осуществляется следующим образом.

Электролиз проводят на переменном синусоидальном токе на никелевых электродах, в ячейке объемом 200 см³, при плотности тока 2,5 А/см², частоте токе 20 Гц и температуре 20-30°С, при напряжении на электродах 4 В. Электроды и термометр закрепляют в электроизоляционной крышке, например, фторопластовой или пропиленовой. По истечении заданного времени процесса электроды извлекают из ячейки, промывают дистиллированной водой и спиртом, а затем взвешивают на аналитических весах. Полученный порошок отделяют фильтрацией, промывают дистиллированной водой, высушивают и взвешивают. Скорость разрушения никеля и образования ультрамикродисперсного порошка оксида никеля определяют весовым методом.

Отличительной особенностью заявляемого способа является:

- то, что процесс электролиза проводят при температуре 20-30°С и напряжении на электродах 4 В.

Предлагаемый способ получения порошка оксида никеля иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1

Электролиз в 17 М растворе гидроксида натрия при наложении переменного тока проводят в электрохимической ячейке на никелевых электродах. Температура исходного раствора составляет 20°C, напряжение на электродах составляет 4 В. Скорость разрушения никеля определяют весовым методом. Поверхностная скорость разрушения никеля составляет 75 мг/(см²·ч).

Пример 2

Электролиз в 17 М растворе гидроксида натрия, при наложении переменного тока, проводят в электрохимической ячейке на никелевых электродах. Температура исходного раствора составляет 25°C, напряжении на электродах составляет 4 В. Скорость разрушения никеля определяют весовым методом. Поверхностная скорость разрушения никеля составляет 75 мг/(см²·ч).

Пример 3

Электролиз в 17 М растворе гидроксида натрия, при наложении переменного тока, проводят в электрохимической ячейке на никелевых электродах. Температура исходного раствора составляет 30°C, напряжение на электродах составляет 4 В. Скорость разрушения никеля определяют весовым методом. Поверхностная скорость разрушения никеля составляет 75 мг/(см²·ч).