Написати автору Морфологічні та текстурні ефекти желювання та механохімічної активації сухих та змочених простих та складних нанооксидів
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.04.361
Анотація
Характеристики та властивості пірогенних оксидів суттєво залежать від різних зовнішніх впливів, що є важливим з практичної точки зору. Тому було досліджено вплив желювання та желювання при високому тиску (ЖВТ) водних суспензій, чистих та при 0.1 M NaCl, та механохімічної активації (МХА) сухих та змочених порошків індивідуальних (кремнезем, оксид алюмінію та їхні суміші) та складних (SiO2/TiO2 (ST), Al2O3/SiO2/TiO2 (AST), AST/А-300) нанолоксидів для визначення впливу їхнього складу та морфології, а також умов приготування на зміни морфологічних та текстурних характеристик тренованих зразків. Поведінка різних фаз (SiO2, TiO2 та Al2O3) нанооксидів в залежності від температури, тиску та середовища при ЖВТ може призводити до руйнування складних наночастинок типу ядро-оболонка (розміром 100–200 нм), на відміну від малих наночастинок (5–20 нм). Текстурні характеристики нанооксидів є чутливими до будь-якого зовнішнього впливу внаслідок ущільнення супрачастинок (агрегатів наночастинок, агломератів агрегатів та видимих структур порошків. Ущільнення супрачастинок приводить до збільшення об’єму пор, що визначається за адсорбцією азоту, та деякому зменшенню питомої поверхні (за винятком AST1), оскільки малі наночастинки є стабільними за використаних умов тренування. Ущільнені нанооксиди характеризуються посиленою мезопористю зі зсувом піку розподілу пор за розміром у бік макропор при зменшенні питомої поверхні (тобто при збільшенні розмірів наночастинок) або мезопор при збільшенні часу МХА чи кількості води у змочених порошках. При малій гідратації A–300 (h = 0.5 г/г) питома поверхня навіть збільшується при МХА. Зменшення температури ЖВТ з 208 до 77.4 K призводить до посилення ущільнення супрачастинок, проте це не впливає на зміни морфології наночастинок. Це також не впливає на ефект руйнування великих AST наночастинок типу ядро-оболонка. Проте руйнування цих частинок суттєво зменшується при додаванні А–300 до AST1 (1:1), тобто малі частинки обумовлюють демпферний ефект.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Kriechbaum G.W., Kleinschmit P. Superfine oxide powders - flame hydrolysis and hydrothermal synthesis. Adv. Mater. 1989. 28(10): 330. https://doi.org/10.1002/adma.19890011004
Hastie J.W. Materials Chemistry at High Temperatures. V. 1. Characterization. V. 2. Processing and Performance. (Clifton, NJ: Humana Press, 1990). https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0481-7
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2008).
Basic characteristics of Aerosil fumed silica 4th ed. Tech. Bull. Fine Particles 11. (Hanau: Evonik Industries, 2014).
Technical Information. TI 1176. (Frankfurt: Degussa AG, 1996).
Auner N., Weis J. Oganosilicon Chemistry VI. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005). https://doi.org/10.1002/9783527618224
Bhushan B. Encyclopedia of Nanotechnology. (Dordrecht: Springer, 2012). https://doi.org/10.1007/978-90-481-9751-4
Afyon S., Hagemann M., Somer M., Isfort C.S. Thermal and hydrothermal stability of flame hydrolytically synthesized SiO2/TiO2 mixed oxides. Solid State Sciences. 2013. 18: 91. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2013.01.002
Albers P., Maier M., Reisinger M., Hannebauer B., Weinand R. Physical boundaries within aggregates - differences between amorphous, para-crystalline, and crystalline structures. Cryst. Res. Technol. 2015. 50(11): 846. https://doi.org/10.1002/crat.201500040
Schaefer D.W., Hurd A.J. Growth and structure of combustion aerosols: fumed silica. Aerosol Sci. Technol. 1990. 12(4): 876. https://doi.org/10.1080/02786829008959400
Roth P. Particle synthesis in flames. Proc. Combust. Inst. 2007. 31(2): 1773. https://doi.org/10.1016/j.proci.2006.08.118
Pratsinis S.E. Flame aerosol synthesis of ceramic powders. Prog. Energy Combust. Sci. 1998. 24(3): 197. https://doi.org/10.1016/S0360-1285(97)00028-2
Mueller R., Madler L., Pratsinis S.E. Nanoparticle synthesis at high production rates by flame spray pyrolysis. Chem. Eng. Sci. 2003. 58(10): 1969. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(03)00022-8
Camenzind A., Caseri W.R., Pratsinis S.E. Flame-made nanoparticles for nanocomposites. Nano Today. 2010. 5(1): 48. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2009.12.007
Teoh W.Y., Lutz M. Flame spray pyrolysis: An enabling technology for nanoparticles design and fabrication. Nanoscale. 2010. 2(8): 1324. https://doi.org/10.1039/c0nr00017e
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
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
Brown G.E.Jr., Henrich V.E., Casey W.H., Clark D.L., Eggleston C., Felmy A., Goodman D.W., Gratzel M., Maciel G., McCarthy M.I., Nealson K.H., Sverjensky D.A., Toney M.F., Zachara J.M. Metal oxide surfaces and their interactions with aqueous solutions and microbial organisms. Chem. Rev. 1999. 99(1): 77. https://doi.org/10.1021/cr980011z
Gun'ko V.M., Mironyuk I.F., Zarko V.I., Voronin E.F., Turov V.V., Pakhlov E.M., Goncharuk E.V., Nychiporuk Yu.M., Kulik T.V., Palyanytsya B.B., Pakhovchishin S.V., Vlasova N.N., Gorbyk P.P., Mishchuk O.A., Chuiko A.A., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Turov A.V., Leboda R. Morphology and surface properties of fumed silicas. J. Colloid Interface Sci. 2005. 289(2): 427. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.05.051
Gun'ko V.M., Nychiporuk Y.M., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Mishchuk O.A., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Skwarek E., Janusz W., Yurchenko G.R., Osovskii V.D., Ptushinskii Y.G., Turov V.V., Gorbyk P.P., Blitz J.P., Gude K. Relationships between surface compositions and properties of surfaces of mixed fumed oxides. Appl. Surf. Sci. 2007. 253(6): 3215. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.07.013
Gun'ko V.M., Blitz J.P., Gude K., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Nychiporuk Y.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Osovskii V.D., Ptushinskii Y.G., Mishchuk O.A., Pakhovchishin S.V., Gorbyk P.P. Surface structure and properties of mixed fumed oxides. J. Colloid Interface Sci. 2007. 314(1): 119. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2007.05.025
Gun'ko V.M., Zarko V.I., Turov V.V., Oranska O.I., Goncharuk E.V., Nychiporuk Y.M., Pakhlov E.M., Yurchenko G.R., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Osovskii V.D., Ptushinskii Y.G., Derzhypolskyi A.G., Melenevsky D.A., Blitz J.P. Morphological and structural features of individual and composite nanooxides with alumina, silica, and titania in powders and aqueous suspensions. Powder Technology. 2009. 195(3): 245. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.06.005
Gun'ko V.M., Bogatyrev V.M., Borysenko M.V., Galaburda M.V., Sulim I.Y., Petrus L.V., Korduban O.M., Polshin E.V., Zaulychnyy Ya.V., Karpets M.V., Foya O.O., Myronyuk I.F., Chelyadyn V.L., Dzhura U.Ya., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Morphological, structural and adsorptional features of oxide composites of different origin. Appl. Surf. Sci. 2010. 256(17): 5263. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.12.115
Gun'ko V.M., Yurchenko G.R., Turov V.V., Goncharuk E.V., Zarko V.I., Zabuga A.G., Matkovsky A.K., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Phillips G.J., Mikhalovsky S.V. Adsorption of polar and nonpolar compounds onto complex nanooxides with silica, alumina, and titania. J. Colloid Interface Sci. 2010. 348(2): 546. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.04.062
Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Matkovsky A.K., Krupska T.V., Kartel M.T., Charmas B. Blends of amorphous/crystalline nanoalumina and hydrophobic amorphous nanosilica. J. Non-Cryst. Solids. 2018. 500: 351. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.08.020
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
Iler R.K. The Chemistry of Silica. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. (Chichester: Wiley, 1979).
Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).
Bergna H.E., Roberts W.O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006). https://doi.org/10.1201/9781420028706
Chuiko A.A. Medical Chemistry and Clinical Application of Silica. (Kiyv: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].
Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Prykhod'ko G.P., Remez O.S., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. High-pressure cryogelation of nanosilica and surface properties of cryosilicas. Colloids Surf. A. 2013. 436: 618. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.07.036
Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Matkovsky A.K., Oranska O.I., Palyanytsya B.B., Remez O.S., Nychiporuk Y.M., Ptushinskii Y.G., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J. Cryogelation of individual and complex nanooxides under different conditions. Colloids Surf. A. 2014. 456: 261. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.05.045
Gun'ko V.M., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Matkovsky A.K., Remez O.S., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J. Low-temperature high-pressure cryogelation of nanooxides. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2015. 74(1): 45. https://doi.org/10.1007/s10971-014-3575-2
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
Mills A. The freezing bomb. Phys. Education. 2010. 45(2): 153. https://doi.org/10.1088/0031-9120/45/2/004
Suwanchawalit C., Patil A.J., Kumar R.K., Wongnawa S., Mann S. Fabrication of ice-templated macroporous TiO2-chitosan scaffolds for photocatalytic applications. J. Mater. Chem. 2009. 19(44): 8478. https://doi.org/10.1039/b912698h
Nishihara H., Mukai S.R., Fujii Y., Tago T., Masuda T., Tamon H. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 2006. 16(31): 3231. https://doi.org/10.1039/B604780G
Nishihara H., Iwamura S., Kyotani T. Synthesis of silica-based porous monoliths with straight nanochannels using an ice-rod nanoarray as a template. J. Mater. Chem. 20008. 18(31): 3662. https://doi.org/10.1039/b806005c
Gu L., Zhang J., Li L., Du Z., Cai Q., Yang X. Hydroxyapatite nanowire composited gelatin cryogel with improved mechanical properties and cell migration for bone regeneration. Biomed. Mater. 2019. 14(4): 045001. https://doi.org/10.1088/1748-605X/ab1583
Nishihara H., Mukai S.R., Shichi S., Tamon H. Preparation of titania-silica cryogels with controlled shapes and photocatalysis through unidirectional freezing. Mater. Lett. 2010. 64(8): 959. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.01.073
Xu R., Yan Xu Y. Modern Inorganic Synthetic Chemistry. (Elsevier: Amsterdam, 2017).
Klotz M., Amirouche I., Guizard C., Viazzi C., Deville S. Ice templating-an alternative technology to produce micromonoliths. Adv. Eng. Mater. 2012. 14(12): 1123. https://doi.org/10.1002/adem.201100347
Deville S. Freeze-casting of porous ceramics: a review of current achievements and issues. Adv. Eng. Mater. 2008. 10(3): 155. https://doi.org/10.1002/adem.200700270
Niu T., Shen L. M., Liu Y. Preparation of meso-macroporous α-alumina using carbon nanotube as the template for the mesopore and their application to the preferential oxidation of CO in H2-rich gases. J Porous Mater. 2013. 20: 789. https://doi.org/10.1007/s10934-012-9654-2
Türkmen D., Bakhshpour M., Akgönüllü S., Süleyman Aşır S, Denizli A. Heavy metal ions removal from wastewater using cryogels: A review. Front. Sustainability. 2022. 3: 765592. https://doi.org/10.3389/frsus.2022.765592
Zhang M., Li Y., Uchaker E., Candelaria S., Shen L., Wang T., Cao G. Homogenous incorporation of SnO2 nanoparticles in carbon cryogels via the thermal decomposition of stannous sulfate and their enhanced lithium-ion intercalation properties. Nano Energy. 2013. 2(5): 769. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2013.01.009
Shlyakhtin O.A., Oh Y.-J. Inorganic cryogels for energy saving and conversion. J. Electroceram. 2009. 23: 452. https://doi.org/10.1007/s10832-008-9488-0
Mukai S.R., Nishihara H., Shichi S., Tamon H. Preparation of porous TiO2 cryogel fibers through unidirectional freezing of hydrogel followed by freeze-drying. Chem. Mater. 2004. 16(24): 4987. https://doi.org/10.1021/cm0491328
Pons A., Casas L.l., Estop E., Molins E., Harris K.D.M., Xu M. A new route to aerogels: Monolithic silica cryogels. J. Non-Crystal. Solid. 2012. 358(3): 461. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.10.031
Tamon H., Akatsuka T., Mori H., Sano N. Synthesis of zeolite monolith with hierarchical micro/macropores by ice-templating and steam-assisted crystallization. Chem. Eng. Trans. 2013. 32: 2059.
Babić B., Kokunešoski M., Miljković M., Prekajski M., Matović B., Gulicovski J., Bučevac D. Synthesis and characterization of the SBA-15/carbon cryogel nanocomposites. Ceramic. Int. 2012. 38: 4875. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.02.078
Maroni F., Bruni P., Suzuki N., Aihara Y., Agostini M., Branchi M., Navarra M.A., Nobili F., Matic A., Croce F. V2O5 cryogel: A versatile electrode for all solid state lithium batteries. J. Electrochem. Soc. 2019. 166: A3927.https://doi.org/10.1149/2.0031916jes
Kim J.W., Tazumi K., Okaji R., Ohshima M. Honeycomb monolith structured silica with highly ordered, three-dimensional interconnected macroporous walls. Chem. Mater. 2009. 21(15): 3476. https://doi.org/10.1021/cm901265y
Hong C., Zhang X., Han J., Du J., Zhang W. Camphene-based freeze cast ZrO2 foam with high compressive strength. Mater. Chem. Phys. 2010. 119(3): 359. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.10.031
Tarutani N., Hashimoto M., Ishigaki T. Organic-inorganic hybrid nanocrystal-based cryogels with size-controlled mesopores and macropores. Langmuir. 2021. 37(9): 2884. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c03112
Sinkó K. Gel-derived porous alumina systems. Mater. Lett. 2013. 107: 344. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.06.048
Zhang H., Cooper A.I. Aligned porous structures by directional freezing. Adv. Mater. 2007. 19(11): 1529. https://doi.org/10.1002/adma.200700154
Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd ed. (London: Academic Press, 1982).
Gun'ko V.M. Textural characteristics of composite adsorbents analyzed with density functional theory and self-consistent regularization procedure. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(2): 163. https://doi.org/10.15407/hftp11.02.163
Gun'ko V.M. Morphological and textural features of various materials composed of porous or nonporous nanoparticles differently packed in secondary structures. Appl. Surf. Sci. 2021. 569: 151117. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151117
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
Neimark A.V., Ravikovitch P.I. Capillary condensation in MMS and pore structure characterization. Microporous Mesoporous Mater. 2001. 44/45: 697. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(01)00251-7
JCPDS Database. International Center for Diffraction Data. PA, 2001.
Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. Sixth edition. (New York: Wiley, 1997).
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
Gun'ko V.M., Oranska O.I., Paientko V.V., Sulym I.Ya. Particulate morphology of nanostructured materials. Chem. Phys. Technol. Surf. 2020. 11(3): 368. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.368
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
Gun'ko V.M., Turov V.V., Goncharuk O.V., Pakhlov E.M., Matkovsky O.K. Interfacial phenomena at a surface of individual and complex fumed nanooxides. Surface. 2019. 11: 3. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.003
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.04.361
Copyright (©) 2022 V. M. Gun’ko
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.