Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (1), 5-24.

Характеризація нано/мезо/макропористих матеріалів у залежності від експериментальних умов та особливостей методів, що використовуються



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.005

V. M. Gun'ko

Анотація


Метою цього дослідження був аналіз різних методів, що використовують для характеризації морфології та текстури матеріалів, які перебувають у різних дисперсійних середовищах, а також явищ на межах поділу, що є основою різних використаних методів. Є декілька шляхів в аналогічних дослідженнях: (і) адсорбція-десорбція низькомолекулярних сполук (N2, Ar тощо); (іі) адсорбція чи обмеження у просторі пор низько- чи високомолекулярних сполук при взаємодії з твердими частинками у рідкому середовищі; (ііі) малокутове розсіяння рентгенівських променів або нейтронів; (iv) числовий аналіз мікрозображень ТЕМ, СЕМ тощо; (v) термопорометрія на основі диференційної скануючої калориметрії з використанням термограм плавлення; (vi) кріопорометрія на основі низькотемпературної ЯМР спектроскопії щодо залежності інтенсивності сигналів від температури, нижчої за температуру замерзання вільної рідини; (vii) релаксометрія на основі ЯМР спектроскопії щодо температурної залежності часу поперечної релаксації; та (viii) релаксометрії на основі залежності струму термостилульованої деполяризації від температури. Кожен з цих методів може характеризуватися певними систематичними похибками. Проте паралельне використання кількох методів дозволяє визначити причини та рівень систематичних помилок, що є важливим для коректної характеризації матеріалів, що досліджуються в різних середовищах. Таким чином, чим більше методів використовується у паралельних дослідженнях, тим більш надійною і повною може бути морфологічна та текстурна характеризація адсорбентів різної природи.


Ключові слова


пірогенні оксиди; мезопористі кремнеземи; силікагель; активоване вугілля; морфологія частинок; текстурні характеристики; систематичні помилки

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Taylor J.R. An Introduction to Error Analysis: The Study of Uncertainties in Physical Measurements. 2nd Edition. (Sausalito, California: University Science Books, 1997).

2. Bevington P.R., Robinson D.K. Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences. 2nd Edition. (Boston: WCB/McGraw-Hill, 1992). https://doi.org/10.1119/1.17439

3. Kirkup L. Experimental Methods. (John Wiley & Sons Australia, Limited, 2002).

4. Baird D.C. Experimentation: An Introduction to Measurement Theory and Experiment Design. 3rd ed. (Prentice Hall Englewood Cliffs, 1995).

5. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd ed. (London: Academic Press, 1982).

6. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. 6th edition. (New York: Wiley, 1997).

7. Iler R.K. The Chemistry of Silica. (Chichester: Wiley, 1979).

8. Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).

9. Bergna H.E., Roberts W.O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006).

10. Tapia O., Bertrán J. (Eds.) Solvent Effects and Chemical Reactivity. (New York: Kluwer Academic Publishers, 2000).

11. Somasundaran P. (Ed.) Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Third Edition. (Boca Raton: CRC Press, 2015). https://doi.org/10.1081/E-ESCS3

12. Henderson M.A. Interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Report. 2002. 46(1-8): 1. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(01)00020-6

13. Birdi K.S. (Ed.) Handbook of Surface and Colloid Chemistry. Third edition. (Boca Raton: CRC Press, 2009). https://doi.org/10.1201/9781420007206.ch1

14. Al-Abadleh H.A., Grassian V.H. Oxide surfaces as environmental interfaces. Surf. Sci. Report. 2003. 52(3-4): 63. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2003.09.001

15. Chandler D. Interfaces and the driving force of hydrophobic assembly. Nature. 2005. 437: 640. https://doi.org/10.1038/nature04162

16. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202

17. Gun'ko V.M. Composite materials: textural characteristics. Appl. Surf. Sci. 2014. 307: 444. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.055

18. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at the Interfaces. (Kyiv: Naukova Dumka, 2009).

19. Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Goncharuk O.V., Pahklov E.M., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Interfacial phenomena at a surface of individual and complex fumed nanooxides. Adv. Colloid Interface Sci. 2016. 235: 108. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.06.003

20. Gun'ko V.M. Interfacial phenomena: effects of confined space and structure of adsorbents on the behavior of polar and nonpolar adsorbates at low temperatures. Current Physical Chemistry. 2015. 5(2): 137. https://doi.org/10.2174/187794680502160111093413

21. Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Goncharuk O.V., Andriyko L.S., Nychiporuk Yu.M., Balakin D.Yu., Sternik D., Derylo-Marczewska A. Nanosilica modified by polydimethylsiloxane depolymerized and chemically bound to nanoparticles or physically bound to unmodified or modified surfaces: Structure and interfacial phenomena. J. Colloid Interface Sci. 2018. 529: 273. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.06.019

22. Gun'ko V.M., Zarko V.I., Goncharuk O.V., Matkovsky A.K., Remez O.S., Skubiszewska-Zięba J., Wojcik G., Walusiak B., Blitz J.P. Nature and morphology of fumed oxides and features of interfacial phenomena. Appl. Surf. Sci. 2016. 366: 410. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.062

23. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Pakhlov E.M. Behavior of water and methane bound to hydrophilic and hydrophobic nanosilicas and their mixture. Chem. Phys. Lett. 2017. 690: 25. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2017.10.039

24. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water bound in hydrophilic components of complex systems. Colloids Surf. A. 2018. 552: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017

25. Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Goncharuk O.V., Andriyko L.S., Marynin A.I., Ukrainets A.I., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Influence of hydrophobization of fumed oxides on interactions with polar and nonpolar adsorbates. Appl. Surf. Sci. 2017. 423: 855. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.06.207

26. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

27. Gun'ko V.M., Turov V.V., Turov A.V., Zarko V.I., Gerda V.I., Yanishpolskii V.V., Berezovska I.S., Tertykh V.A. Behaviour of pure water and water mixture with benzene or chloroform adsorbed onto ordered mesoporous silicas. Central European Journal of Chemistry. 2007. 5(2): 420. https://doi.org/10.2478/s11532-007-0010-3

28. Gun'ko V.M. Various methods to describe the morphological and textural characteristics of various materials. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 317. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.317

29. Gun'ko V.M., Mikhalovsky S.V. Evaluation of slitlike porosity of carbon adsorbents. Carbon. 2004. 42(4): 843. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.01.059

30. Do D.D., Nguyen C., Do H.D. Characterization of micro-mesoporous carbon media. Colloids Surf. A. 2001. 187-188: 51. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(01)00621-5

31. Platzer B., Maurer G. Application of a generalized Bender equation of state to the description of vapour-liquid in binary systems. Fluid Phase Equilibr. 1993. 84: 79. https://doi.org/10.1016/0378-3812(93)85118-6

32. Muniz W.B., Ramos F.M., de Campos Velho H.F. Entropy- and Tikhonov-based regularization techniques applied to the backwards heat equation. Comput. Math. Appl. 2000. 40(8-9): 1071. https://doi.org/10.1016/S0898-1221(00)85017-8

33. Provencher S.W. A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations. Comput. Phys. Commun. 1982. 27(3): 213. https://doi.org/10.1016/0010-4655(82)90173-4

34. Gun'ko V.M., Voronin E.F., Nosach L.V., Turov V.V., Wang Z., Vasilenko A.P., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Mikhalovsky S.V. Structural, textural and adsorption characteristics of nanosilica mechanochemically activated in different media. J. Colloid Interface Sci. 2011. 355(2): 300. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.12.008

35. Gun'ko V.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Gawdzik B., Charmas B. Structural characteristics of porous polymers treated by freezing with water or acetone. Appl. Surf. Sci. 2005. 252(3): 612. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.02.075

36. Pujari P.K., Sen D., Amarendra G., Abhaya S., Pandey A.K., Dutta D., Mazumder S. Study of pore structure in grafted polymer membranes using slow positron beam and small-angle X-ray scattering techniques. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2007. 254(2): 278. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.11.052

37. Sternik D., Galaburda M., Bogatyrov V.M., Gun'ko V.M. Influence of the synthesis method on the structural characteristics of novel hybrid adsorbents based on bentonite. Colloids Interfaces. 2019. 3(1): 18. https://doi.org/10.3390/colloids3010018

38. Gun'ko V.M., Meikle S.T., Kozynchenko O.P., Tennison S.R., Ehrburger-Dolle F., Morfin I., Mikhalovsky S.V. Comparative characterization of carbon and polymer adsorbents by SAXS and nitrogen adsorption methods. J. Phys. Chem. C. 2011. 115(21): 10727. https://doi.org/10.1021/jp201835r

39. Sakurai S. SAXS evaluation of size distribution for nanoparticles. Chapter 5 (https://dx.doi.org/10.5772/105981), In A.E. Ares (ed.), X-ray Scattering, (DOI: 10.5772/65049), (Croatia: InTech, 2017). P. 107-134.

40. Brumberger H. (Ed.) Small Angle X-ray Scattering. (New York, Syracuse: Gordon & Breach, 1965).

41. Dieudonné Ph., Hafidi A.A., Delord P., Phalippou J. Transformation of nanostructure of silica gels during drying. J. Non-Crystal. Solids. 2000. 262(1-3): 155. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00687-0

42. Fairén-Jiménez D., Carrasco-Marín F., Djurado D., Bley F., Ehrburger-Dolle F., Moreno-Castilla C. Surface area and microporosity of carbon aerogels from gas adsorption and small- and wide-angle X-ray scattering measurements. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(17): 8681. https://doi.org/10.1021/jp055992f

43. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

44. Goliszek M., Podkościelna B., Fila K., Riazanova A.V., Aminzadeh S., Sevastyanova O., Gun'ko V.M. Synthesis and structure characterization of polymeric nanoporous microspheres with lignin. Cellulose. 2018. 25(10): 5843. https://doi.org/10.1007/s10570-018-2009-7

45. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B. Water interactions with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40): 12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

46. ImageJ. 2019. https://imagej.nih.gov/ij/https://imagej.nih.gov/ij/plugins/granulometry.html.

47. Fiji. 2019. https://fiji.sc/, https://imagej.net/Local_Thickness.

48. Gun'ko V.M., Savina I.N., Mikhalovsky S.V. Cryogels: Morphological, structural and adsorption characterization. Adv. Colloid Interface Sci. 2013. 187-188: 1. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.11.001

49. Gun'ko V.M., Zarko V.I., Leboda R., Chibowski E. Aqueous suspensions of fumed oxides: particle size distribution and zeta potential. Adv. Colloid Interface Sci. 2001. 91(1): 1. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(99)00026-3

50. Gun'ko V.M., Klyueva A.V., Levchuk Yu.N., Leboda R. Photon correlation spectroscopy investigations of proteins. Adv. Colloid Interface Sci. 2003. 105(1-3): 201. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(03)00091-5

51. Hunter R.J. Introduction to Modern Colloid Science. (London: Oxford University Press, 1993).

52. Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001

53. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Progr. NMR Spectroscopy. 2009. 54(2): 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001

54. Aksnes D.W., Forl K., Kimtys L. Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3(15): 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n

55. Hay J.N., Laity P.R. Observations of water migration during thermoporometry studies of cellulose films. Polymer. 2000. 41(16): 6171. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00828-9

56. Landry M.R. Thermoporometry by differential scanning calorimetry: experimental considerations and applications. Thermochim. Acta. 2005. 433(1-2): 27. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.02.015

57. Weber J., Bergström L. Mesoporous hydrogels: revealing reversible porosity by cryoporometry, X-ray scattering, and gas adsorption. Langmuir. 2010. 26(12): 10158. https://doi.org/10.1021/la100290j

58. Rohman G., Lauprêtre F., Boileau S., Guérin P., Grande D. Poly(D,L-lactide)/poly(methyl methacrylate) interpenetrating polymer networks: synthesis, characterization, and use as precursors to porous polymeric materials. Polymer. 2007. 48(24): 7017. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.09.044

59. Turov V.V., Gun'ko V.M., Zarko V.I., Goncharuk O.V., Krupska T.V., Turov A.V., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J. Interfacial behavior of n-decane bound to weakly hydrated silica gel and nanosilica over a broad temperature range. Langmuir. 2013. 29(13): 4303. https://doi.org/10.1021/la400392h

60. Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J. Influence of structural organization of silicas on interfacial phenomena. Colloids Surf. A. 2016. 492: 230. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.12.030

61. Gun'ko V.M., Goncharuk O.V., Goworek J. Evaporation of polar and nonpolar liquids from silica gels and fumed silica. Colloids Surf. A. 2015. 474: 52. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.03.007

62. Gun'ko V.M., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Andriyko L.S., Turov V.V., Nychiporuk Y.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Gabchak A.L., Osovskii V.D., Ptushinskii Y.G., Yurchenko G.R., Mishchuk O.A., Gorbyk P.P., Pissis P., Blitz J.P. TSDC spectroscopy of relaxational and interfacial phenomena. Adv. Colloid Interface Sci. 2007. 131(1-2): 1. https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.11.001




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.005

Copyright (©) 2020 V. M. Gun'ko