Введение. 
Синтез и физико-химические свойства модифицированных наночастицами металлов (Fe, Co, Pb, Zn, Cd, Ni) шунгитового электрода

В последние годы интенсивное развитие получили работы в области нанотехнологий и получения наноматериалов.

Нанотехнология позволит создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Вот и возникает заманчивая перспектива, а нельзя ли нам по собственному желанию менять атомную структуру каких-либо дешевых веществ, чтобы получить все, что мы пожелаем.

Нанотехнология — отрасль молекулярной технологии ориентированная на получение устройств, роботов, веществ с наперед заданной молекулярной структурой, производя их атом за атомом.

Развитие нанотехнологии открыло возможности проводить исследования в области композиционных наноматериалов, и в настоящее время позволило перейти к созданию и использованию перспективных материалов для сенсоров, катализа, наноэлектроники и др.

Изучение свойств систем, содержащих наноразмерные объекты, интересно и важно с точки зрения, как фундаментальной науки, так и практического применения таких систем и объектов в ряде новых технологий. Наноразмерные объекты (нанообъекты) занимают промежуточное положение между объемными материалами и атомами и проявляют новые физические и химические свойства. Технология получения нанокомпозитов и изучение их свойств являются актуальной задачей и вызывают повышенный интерес исследователей к наноматериалам. Это вызвано следующими причинами: уменьшение размера частицы ведет, согласно неопределенности Гейзенберга, к появлению вырожденных энергетических уровней, характер заполнения которых существенно изменяется с изменением размера и формы наночастиц с числом атомов меньше 10. Квантование уровней приводит к сильному изменению поляризуемости частиц. При этом возрастает роль релаксации поверхностных атомов, которая увеличивается с уменьшением размера наночастиц, и влияния на электронную структуру точечных дефектов. Увеличивается значение поверхностной энергии, изменяются термодинамические условия фазовых равновесий. Уменьшение размеров наночастиц сдвигает фононный спектр в область коротких длин волн. В связи с этим материалы, содержащие наночастицы, проявляют уникальные физико-химические свойства, такие как электрические, магнитные и спектральные, происходит повышение каталитической активности и активности в твердофазных реакциях. Все это приводит к изменению границ существования фаз возможной структурной релаксации с изменением концентрации наночастиц, их природы, формы и размера. Поэтому получение и исследование наноматериалов являются важным этапом в создании техники нового поколения [1].

Необходимо отметить сложность получения стабильных частиц, с равномерной плотностью по всему объему нанокомпозитов, обладающих высокой однородностью. Основная трудность заключается в существовании процесса агрегации наночастиц. Помимо стабилизации наночастиц в объеме матриц, в настоящее время получила развитие стабилизация наночастиц на поверхности микроносителей, поскольку такие наночастицы остаются доступными для реагентов извне и сохраняют основные физические характеристики. Системы на основе стабилизированных на поверхности носителей наночастиц,, можно использовать в качестве электродов для сенсорики и осуществления процессов электрохимического синтеза биологически активных соединений.

Таким образом, актуальность и важность решения вышеназванных научных и прикладных проблем в области физической химии композиционных наноматериалов обусловили проведение данной многоплановой работы по созданию композиционных материалов на основе природного минерала КШ и металлсодержащих наночастиц (МСН).

Из литературы [2−6] известно электрохимическое поведение различных органических соединений на электродах, модифицированных металлокомплексами.

Механизм электроокисления можно представить известной схемой: медиатор Мred вступает в обратимую электрохимическую реакцию с образованием частиц Мох, которые вступают в химическую реакцию с субстратом (S), образуя продукты реакции (Р):

Мred = Mox + e.

Mox + S > Мred + P.

Регенерация частиц медиатора позволяет отнести этот процесс к каталитическому, экспериментально наблюдаемому в приросте тока медиатора в присутствии субстрата по сравнению с током, регистрируемым в его отсутствие.

Выбор пары редокс-медиатор/субстрат определяется природой металлов, входящих в состав металлокомплекса, условиями регистрации аналитического сигнала, а также природой определяемого соединения.

Электрокаталитические процессы находят широкое применение при электрохимическом получении разнообразных химических и фармацевтических препаратов и лежат в основе работы различных электрохимических устройств.

Актуальность работы. Поиск простых и доступных способов получения композиционных материалов содержащих наночастицы с уникальными физико-химическими свойствами для аналитических и других целей является актуальной задачей. Одним из возможных подходов к решению данной проблемы может быть применение природного минерала шунгита, который может быть использован в качестве нейтрального носителя для синтеза композиционных электродов.

Обоснование необходимости выполнения работы.

Широкое практическое применение и биологическая важность различных гетероорганических соединений определяет необходимость разработки новых эффективных способов их определения. Использование электрокаталитического отклика ХМЭ открывает возможность определения следовых количеств биологически активных веществ (БАВ). ХМЭ, имеющие высокую каталитическую активность, селективность и стабильность отклика, могут быть использованы при создании химических сенсоров, медиаторных биосенсоров. Поэтому поиск новых ХМЭ с электрокаталитическими свойствами для вольтамперометрического определения и амперометрического детектирования органических соединений в стационарных условиях и в потоке является актуальной задачей.

Диссертация посвящена изучению возможностей получения экологически безопасных, дешевых, но эффективных индикаторных электродов на основе шунгита Коксуйского месторождений.

Цель работы — пиролитическая модификация шунгита Коксуйского месторождения для получения наноструктурированного композиционного материала с электропроводящими свойствами для оценки возможности их применения в качестве электрода. Исследование и выбор оптимальных условий получения нанопорошков, состоящих из таурита, солей металлов в условиях пиролиза, определение качественного состава синтезированных материалов физико-химическими методами: рентгенофазовым анализом, Мессбауэровской спектроскопией, электронной микроскопией.

Научная новизна полученных результатов: впервые предложена методика синтеза наноструктурированных компонентов на основе шунгита, солей различных металлов (Fe, Co, Pb, Zn, Cd и Ni), которая является научной основой для проведения дальнейших систематических работ в области получения новых наноматериалов, изучение взаимодействия исходных компонентов.

Теоретическая и методологическая основа работы.

Одной из важных задач подобных исследований является разработка методов и изучение закономерностей синтеза наноразмерных металлсодержащих композитов, а также изучение их физико-химических свойств.

На новых наноструктурированных композиционных материалах с электропроводящими свойствами (в электродах) изучены электрохимические свойства молекул N-метил-пиперидона-4 в катодной и анодной областей потенциалов. Установлено скачкообразное изменение тока окисления фонового раствора в условиях адсорбции исходного гетероциклического соединения.

Достоверность полученных результатов Результатами электронной микроскопии была показано, что микрочастицы шунгита расположены хаотично мелкие и крупные вперемежку, при добавлении же наночастиц металлов наблюдается упорядочение и укрупнение микрочастиц, то есть происходит обволакивание структурных единиц композита, и проявление уникальных физико-химических свойств электрода. Также установлено, что имеет место прочное взаимодействие наночастиц металлов с шунгитовым композитом, за счет адсорбции на его внешней поверхности. Присутствие железа упрочняет этот процесс, заполняет пустоты, уплотняются частицы нанокомпозиции, появляются сросшие микропоры. Эффект Мессбауэра, ВА характ.

— По теме диссертации приняты к публикации 2 статьи на научную конференцию: «Наука и технологии: шаг в будущее», 27 февраля — 05 марта 2011 г., Чехия;