Библиотека: Наноматериалы (рубрикатор)

Основной предмет (школа): химия

Область знания (ВУЗ): неорганическая химия, кристаллохимия, аналитическая химия

Актуальность: В настоящее время существует не так уж много примеров настоящих функциональных материалов, метод получения которых сводится к простой химической реакции в лабораторном стаканчике. Ксерогель на основе оксида ванадия (V) – безусловно, один из таких материалов. Несмотря простоту его получения, данный материал характеризуется очень интересной слоистой кристаллической структурой. Дело в том, что используя темплат (т.е. ион или молекулу, внедряемую кристаллическую структуру) различного радиуса, можно легко регулировать межслоевое пространство структуры, в результате чего ксерогель будет «растягиваться» или «сжиматься» по принципу гармошки. С другой стороны, благодаря такой «гибкости» структуры, ксерогель может интеркалировать (т.е. «засасывать») разнообразные ионы и молекулы-гости. Актуальность данного слоистого материала заключатся в том, что он может найти применение в таких областях, как электрохимия (катод в литий-ионных аккумуляторах), катализ (матрица катализатора) и многих других.

Схематичное изображение кристаллической структуры ксерогеля на основе оксида ванадия (V). Красным цветом обозначены структурные слои, состоящие из октаэров (или тетрагональных пирамид в другом представлении), между слоями могут находиться катионы или молекулы-гости (отмечены зеленым). В зависимости от радиуса катионов, расстояние между слоями будет меняться.

Принцип «игры» на ксерогеле. В зависимости от радиуса вводимого катиона-гостя, слоистая структура ксерогеля может «растягиваться» или сжиматься.

Новизна: варьирование кристаллической структуры слоистого материала путем простых химических реакций

Цель: разработка простых методик получения гибридных наноматериалов со слоистой структурой, содержащей ионы и молекулы различного радиуса

Задачи:

1. Анализ литературы по теме гибридных и высокопористых материалов, повторение (изучение) химии ванадия.

2. Литературный поиск возможных методов получения наноматериалов со слоистой структурой (в частности, ксерогеля и эмбигеля на основе оксида ванадия (V)).

3. Получение ксерогеля из кристаллического V₂O₅ и раствора H₂O₂ в лабораторных условиях.

4. Сушка полученного геля при различных условиях.

5. Введение катионов и молекул различного радиуса в структуру ксерогеля.

6. Исследование полученных образцов и прекурсоров различными физико-химическими методами. Доказательство протекания реакций интеркаляции.

7. Обобщение результатов.

В данном проекте от школьника будет требоваться:

a) Провести обзор литературы.

b) Провести простые химические реакции в школьной лаборатории.

c) Получить результаты анализа полученных образцов от тьютора и научиться их объяснять.

Экспериментальные подходы: методы золь-гель химии, pH-метрия, физико-химические методы анализа

Методические подходы: ознакомление с кристаллохимией и аналитической химией, гибридными материалами, реакциями ионного обмена

Требующиеся нестандартные реактивы и ресурсы: понадобятся физико-химические методы анализа (необходимо прибегнуть к помощи тьютора). В остальном же, для проведения химических реакций, необходимы простые реактивы, доступные в любой школьной химической лаборатории

Освоение школьником теоретического материала: основы кристаллохимии и аналитической химии, ознакомление с гибридными (нано)материалами, освоение физико-химических методов анализа

Навыки, получаемые школьником: химия растворов, основы кристаллохимии и аналитической химии, использование методов анализа материалов

Предшествующий материал по школьной программе: общая и неорганическая химия, химия элементов, аналитическая химия

Роль учителя: общее руководство проектом

Возможная помощь тьюторов: обеспечение реактивами (при необходимости), помощь в характеризации полученных образцов (рентгенофазовый анализ, электронная микроскопия, BET)

Техника безопасности: уделить особое внимание безопасности при проведении реакции между пентаоксидом ванадия и перекисью водорода – реакция экзотермичная, протекает очень бурно! Общие меры безопасности при работе с химическими реагентами.

Примечания: в качестве дополнительного этапа работы можно исследовать влияние способа сушки геля на физико-химические свойства (морфологию, площадь поверхности) продукта – можно получить как ксерогели, так и эмбигели. Также можно провести эксперименты по введению катионов-гостей как в межслоевое пространство ксерогеля, так и непосредственно в структурные слои (зависит от момента введения катиона-гостя в реакционную среду).

Первичные литературные ссылки для начала поиска:

1. Золь-гель химия (http://www.nanometer.ru/2010/10/17/zol_gel_219461.html)
2. Что такое ксерогель (http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155)
3. Пример того, где на практике используется реакция интеркаляции (http://www.nanometer.ru/2008/09/07/olivin_53817.html)

отслеживать появление комментариев через rss