Печенкина Т. А.
ГОУ Вятская гуманитарная гимназия
В настоящее время многие ученые в своих исследовательских работах уделяют внимание изучению различных свойств нанообъектов. Из-за пористой структуры ионообменные мембраны можно отнести к наноматериалам. Транспортные и равновесные свойства ионообменных мембран рассматривают с учётом их структурной неоднородности. Гетерогенные ионообменные мембраны имеют неоднородную поверхность, влияющую на их физико-химические и электрохимические характеристики. Зондовый сканирующий микроскоп позволяет получить сканы поверхности и изучить рельеф и неоднородности ионообменных мембран.
Целью данной работы является изучение поверхности ионообменных мембран с помощью сканирующей зондовой микроскопии, сравнение рельефа и оценки шероховатости поверхности.
Объектами исследований были выбраны отечественные гетерогенные мембраны МК-40, МА-40, МА-41И и гомогенная мембрана МФ-4СК (аналог мембраны Nafion).
В данной работе использовались оптические микроскопы Karl Zeis и ЛОМО и зондовый сканирующий микроскоп Solver P47 (фирма NT-MDT, г. Москва). Исследуемые образцы должны иметь размер не более 20×20×10 мм. Максимальный размер скана 80×80×5 мкм.
На первом этапе исследовательской работы были получены электронные микрофотографии исходных образцов ионообменных мембран в сухой и набухшей форме.
А) б) в)
Рисунок 1. Микрофотографии гомогенной мембраны МФ-4СК (а) и МК-40 (б) сухие; (в) МК-40 набухшая
На полученных фотографиях видно, что геометрия поверхности гетерогенной мембраны МК-40 даже отдаленно не напоминает плоскость. Микрофотография исходной гомогенной мембраны МФ-4СК демонстрирует достаточную однородность образца. Однако на поверхности визуализируются выпуклости и впадины ионообменного материала.
С помощью сканирующей зондовой микроскопии сделана попытка сравнения поверхностной структуры исследуемых мембран. Были получены сканы всех исследуемых мембран.
Для всех образцов гетерогенных мембран установлен сильно выраженный рельеф, обусловленный расширением щелей, пор, микротрещин, а также формой и геометрией зёрен ионообменника.
С помощью программного обеспечения SPMComplex 15.11 оценена топография поверхности ионообменных мембран. Топография мембран позволила оценить параметры средней шероховатости поверхности в воздушно-сухом состоянии. Результаты представлены в таблице.
|
|
Максимальная высота, нм |
Средняя высота, нм |
|
МФ-4СК |
736 |
500,84 |
|
МК-40 |
357 |
162,41 |
|
МА-40 |
557 |
359,88 |
|
МА-41 |
430 |
191,53 |
Выводы:
1. Проведено комплексное исследование морфологии поверхности ионообменных мембран методами сканирующей электронной микроскопии и оптической микроскопии.
2. Визуализированы различия в структуре поверхности гомогенных и гетерогенных мембран, исходных коммерческих, образцов и после кондиционирования.
3. Анализ полученных микропрофилей поверхности мембран позволил определить стандартные параметры поверхности – среднюю величину шероховатости.
Список литературы
1. Березина Н. П. Структурная организация ионообменных мембран / Н. П. Березина, Н. А. Кононенко. – Краснодар : Изд-во Кубан. гос. ун-та, 1996. – 49 с.
2. Письменская Н. Д. Сопряженная конвекция раствора у поверхности ионообменных мембран при интенсивных токовых режимах / Н. Д. Письменская, В. В. Никоненко, Е. И. Белова, Г. Ю. Лопаткова, Ф. Систа, Ж. Пурсели, К. Ларше // Электрохимия. –2007. – Т.43, № 3. – С.325-345.
3. Березина Н. П. Электротранспортные и гидрофильные свойства перфторированных мембран НАФИОН-117 и МФ-4СК / Н. П. Березина, С. В. Тимофеев, С. Дюран-Видаль, Л. Ролле // Наука Кубани. – 2000. – Т.5 (ч.2). – С.34-35.