Зменшення розмірів структурних елементів (частинок, кристалітів) нижче певного порогу приводить до значної зміни фізико-хімічних властивостей порівняно з об’ємним зразком такого самого хімічного складу. Зокрема при переході до нанорозмірних частинок відбуваються суттєві зміни електричних, магнітних, оптичних, каталітичних та інших властивостей. Ці властивості роблять їх перспективними матеріалами для використання в мікроелектроніці, оптоелектроніці нелінійній оптиці та в інших галузях [1].
Гідроксид кадмію (Cd(OH)2) належить до широкозонних напівпровідникових матеріалів з шириною забороненої зони 4,45 еВ за кімнатної температури і може бути використаний в різноманітних фотоелектронних пристроях, зокрема для виготовлення вікон сонячних елементів, фотодіодів та фототранзисторів, прозорих електродів та сенсорів. Він використовується як електродний матеріал в джерелах постійного струму і матеріал для отримання оксиду кадмію [2].
Метою даної роботи є дослідження особливостей отримання гідроксиду кадмію електролітичним методом.
Наноструктуровані сполуки кадмію було отримано електролітичним методом. В якості електроліту використовувався розчин кухонної солі в дистильованій воді з концентрацією 500 мг/л. Процес електролізу проводився за температури (98 0С). Тривалість експерименту складала 2 год., при густині струму 2,75 10-2 А/см2. Живлення електролізера здійснювалося від регульованого стабілізованого джерела постійного струму. Для рівномірного використання кадмієвих електродів здійснювали реверс напряму постійного струму. Час реверсу складав 0,5 год.
Після закінчення електролізу електроліт, фільтрували за допомогою паперового фільтру і отриманий порошок промивали п’ятикратним об'ємом дистильованої води. Зразки висушували на повітрі при кімнатній температурі. Рентгенівські дослідження проводилися на рентгенівському дифрактометрі ДРОН – 4 з використанням CuKα випромінювання за кімнатної температури.
На рис. 1 показано рентгенівську дифрактограму порошку, отриманого з часом реверсування напряму постійного струму 30 хвилин. Для її аналізу проводили її порівняння з дифрактограмами таких речовин: гексагональної модифікації β-Cd(OH)2, моноклінної модифікації γ-Cd(OH)2 і карбонату кадмію CdCO3. Порівняння теоретичних та експериментальних результатів показали, що в наших умовах утворюється суміш порошків: гексагональної і моноклінної модифікації Cd(OH)2, а також кадмій карбонату.
Рис. 1. Дифрактограма порошку сполук кадмію, отриманого протягомі 4 год.
Для проведення кількісного аналізу отриманого наноструктурованого порошку був використаний рентгенофазовий аналіз. Відомо, що інтегральна інтенсивність дифракційних максимумів при використанні дифрактометра з плоским зразком описується рівнянням [3]:
I = I0 ((e4 λ3 l)/(32 π m2 c4 R)) (N2/2μ) PLG p |F|2,
де I0 – інтенсивність падаючого рентгенівського випромінювання,
N – число елементарних комірок в одиниці об’єму,
μ – лінійний коефіцієнт поглинання,
PLG – кутовий множник,
p – фактор повторюваності,
|F| - модуль структурної амплітуди.
В випадку суміші речовин інтегральна інтенсивність пропорційна об’ємному вмісту компонент. В дифрактометрі фокусування рентгенівських променів відбитих від плоскої пластинки робить поглинання незалежним від кута θ, бо воно послаблює інтенсивність всіх дифрагованих пучків в однакове число разів і не впливає на відносні інтенсивності [3].
В випадку суміші, яка складається з трьох компонент необхідно буде розв’язувати систему трьох рівнянь з трьома невідомими:
c1/c2 = (I1 N22 PLG2 p2 |F2|2)/(I2 N12 PLG1 p1 |F1|2)
c1/c3 = (I1 N32 PLG3 p3 |F3|2)/(I3 N12 PLG1 p1 |F1|2)
c1 + c2 + c3 = 1
В таблиці 1 наведені дані таких речовин: гідроксид кадмію (гексагональна модифікація), гідроксид кадмію (моноклінна модифікація) і карбонат кадмію. Для визначення об’ємного вмісту компонентів були використані рефлекси (001) (β-Cd(OH)2 2θ = 18,90), (020) (γ-Cd(OH)2 2θ = 18,00), (012) (CdCO3 2θ = 23,50), і з дифрактограми були визначені їх інтегральні інтенсивності. Крім того були проведені розрахунки таких величин PLG – кутовий множник (PLG = (1 + cos22θ)/sin2θ cosθ), |F| - модуль структурної амплітуди.
Таблиця 1. Фізичні властивості сполук кадмію
|
Речовина |
Просторова група |
Параметри елементарної комірки, нм |
Густина, 103 кг/м3 |
Об’єм елементарної комірки, нм3 |
Число елементарних комірок в одиниці об’єму, 1027 м-3 |
|
β-Cd(OH)2 |
Pm1 |
a = 0,3487 c = 0,4679 |
4,79 |
0,0450316 |
22,206612 |
|
γ-Cd(OH)2 |
Im |
a = 0,5642 b = 1,02233 c = 0,34042 α = 90° β = 91,523° γ = 90° |
4,88 |
0,19628441 |
5,094648 |
|
CdCO3 |
Rc |
a = 0,6124 α = 47,4° |
4,96 |
0,056442306 |
17,71720657 |
Таблиця 2. Результати попередніх розрахунків
|
Рефлекс |
Інтегральна інтенсивність, I |
N 1027 м-3 |
p |
PLG |
|F|2 |
|
(001) β-Cd(OH)2 |
51 |
22,21 |
2 |
71,27 |
1877,49 |
|
(020) γ-Cd(OH)2 |
69 |
5,09 |
2 |
78,75 |
2723,19 |
|
(012) CdCO3 |
108 |
17,72 |
6 |
45,34 |
732,13 |
Використовуючи дані про фізичні властивості речовин і попередні розрахунки наведені в табл.1 і 2 і розв’язавши вище вказану систему рівнянь ми отримали: c1 = 13,9%, c2 = 36,5%, c3 = 49,6%, де: c1 – об’ємний вміст β-Cd(OH)2; c2 – об’ємний вміст γ-Cd(OH)2; c3 – об’ємний вміст CdCO3. Легко показати, що масові відсотки складають відповідно 13,6%, 36,3%, 50,1%.
Список літератури
- Ворох А.С., Гетеронаноструктура Сd(ОН)2/CdS типа ядро-оболочка. Доклады Академии наук, 2008, Т. 419, №1, С. 58-64.
- Zhang D.E., Pan X.D., Zhu H., Li S.Z., Xu G.Y., Zhang X.B., Ying A.L., Tong Z.W. A simple method to synthesize cadmium hydroxide nanobelts.Nanoscale Res.Lett. №3, 2008, С. 284-288.
- Липсон Г., Стипл Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм М.: Мир, 1972, 384
