Кремнеземи із сферичною морфологією частинок і впорядкованою мезопористою структурою

Дослідження структурно-направляючої ролі іонену типу 1,4-MePh у темплатному синтезі мезопористих кремнеземів в спиртово-основному середовищі. Методика синтезу однорідномезопористих кремнеземів в нанореакторах на основі крупнопористих неорганічних матриць.

Рубрика Химия
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 28.08.2015
Размер файла 61,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка

УДК 544.72

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

КРЕМНЕЗЕМИ ІЗ СФЕРИЧНОЮ МОРФОЛОГІЄЮ ЧАСТИНОК І ВПОРЯДКОВАНОЮ МЕЗОПОРИСТОЮ СТРУКТУРОЮ

Березовська Інна Сергіївна

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Тьортих Валентин Анатолійович, Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

- доктор хімічних наук, професор Тарасенко Юрій Олександрович Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, провідний науковий співробітник

- кандидат хімічних наук, Коваленко Олександр Степанович, Інститут фізичної х імії ім. Л.В. Писаржевського НАН України, старший науковий співробітник

Захист відбудеться "9" жовтня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України за адресою: 03164, Київ-164, вул. Генерала Наумова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України (03164, Київ-164, вул. Генерала Наумова, 17).
Автореферат розісланий "5" вересня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Г.П. Приходько

Анотації

Березовська І.С. Кремнеземи із сферичною морфологією частинок і впорядкованою мезопористою структурою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія поверхні. - Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено дослідженню умов синтезу однорідномезопористих кремнеземів із сферичною морфологією частинок, визначенню структурно-направляючої ролі іонену типу 1,4-MePh у темплатному синтезі мезопористих кремнеземів та розробці методики синтезу однорідномезопористих кремнеземів в нанореакторах на основі крупнопористих неорганічних матриць.

Показано можливість контролю геометричних параметрів структури і морфології синтезованих кремнеземів залежно від рН середовища і співвідношення вихідних компонентів. В спиртово-основному середовищі модифікованим методом Штобера із використанням міцелярних розчинів СТАВ і TEOS синтезовано однорідномезопористі кремнеземи типу МСМ-41, що мають розвинену питому поверхню, виключно вузький розподіл пор за розмірами і складаються із однорідних частинок сферичної форми, розміром 0,5 мкм. В кислому середовищі проведено темплатний синтез впорядкованих пористих кремнеземів із високими значеннями питомої поверхні і сферичною грануляцією частинок розміром 10 мкм.

В спиртово-основному середовищі проведено синтези із використанням у складі міцелярного темплату полііонену типу 1,4-MePh. Встановлено, що введення невеликих кількостей іонену дозволяє синтезувати кремнезем із високими значеннями питомої поверхні і впорядкованою гексагональною структурою пор. Вперше показано можливість проведення темплатного синтезу мезопористих кремнеземів в нанореакторах на основі крупних пор силікагелю.

Ключові слова: МСМ-41, силікагель, синтез Штобера, сферична морфологія частинок, темплатний синтез в нанореакторах.

Березовская И.С. Кремнеземы со сферической морфологией частиц и мезопористой структурой. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата химических наук по специальности 01.04.18. - физика и химия поверхности. Институт химии поверхности им. О.О. Чуйка НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена исследованию условий синтеза однородномезопористых кремнеземов со сферической морфологией частиц, определению структурно-направляющей ролы ионена типа 1,4-MePh в темплатном синтезе мезопористых кремнеземов. Также в работе разработаны методики синтеза однородномезопористых кремнеземов в нанореакторах на основе крупнопористых неорганических матриц.

Показана возможность контроля геометрических параметров структуры и морфологии синтезированных кремнеземов в зависимости от рН среды и соотношения исходных компонентов. В спиртово-аммиачной среде модифицированным методом Штобера при использовании мицеллярных растворов СТАВ и TEOS синтезированы однородномезопористые кремнеземы типа МСМ-41, обладающие развитой удельной поверхностью, исключительно узким распределением пор по размерам и состоящие из однородных частиц сферической формы, размером 0,5 мкм. Исследованы способы получения упорядоченных пористых кремнеземов с высокими значениями удельной поверхности и сферической грануляцией частиц, размером 10 мкм, при проведении темплатного синтеза в кислой среде.

В спиртово-основной среде проведены синтезы с использованием в качестве структурно-направляющего реагента полиионена типа 1,4-MePh. Установлено, что введение небольших порций полимера в состав темплата позволяет синтезировать кремнеземы с высокими значениями удельной поверхности и упорядоченной бимодальной структурой пор. При повышенном содержании полимера получены материалы с менее упорядоченной бимодальной пористой структурой, состоящей из мезопор, размер которых соответствует порам MCM-41 материалам, и более мелких пор, присутствие которых может быть объяснено структурно-направляющим действием полиионена.

Впервые показана возможность использования мицеллярных темплатов для проведения темплатного синтеза мезопористых кремнеземов в нанореакторах на основе крупных пор силикагеля. После поэтапного проведения темплатных синтезов в порах силикагеля наблюдается существенное увеличение удельной поверхности кремнеземов, а на кривых распределения пор по размерам отмечается постепенное усиление интенсивности максимумов, характерных для пор кремнеземов типа МСМ-41.

Ключевые слова: MCM-41, силикагель, синтез Штобера, сферическая морфология частиц, темплатный синтез в нанореакторах.

Berezovska I.S. Silicas with spherical morphology of particles and ordered mesoporous structure. - Manuscript.

Thesis for a degree of candidate of sciences (chemistry) in speciality 01.04.18 - physics and chemistry of surface. - O. O. Chuiiko Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

Dissertation is devoted to investigation of conditions of template synthesis of ordered mesoporous silicas with spherical morphology of particles, determination of structure-directing role of polyionene in template synthesis of mesoporous silicas. Techniques of synthesis of ordered mesoporous silicas inside pores of inorganic matrices are also proposed.

The abilities of control of geometrical parameters of structure and particle morphology depending on pH media and molar ratio have been studied. Ordered mesoporous silicas of MCM-41 type with high specific surface area, uniform pores structure and spherical granulation of particles with size of 0.5 мm were synthesized in alcohol-ammonia media. Ordered silicas with spherical morphology of uniform particles of 10 мm size were synthesized in acidic media.

Structure-directing role of polyionene of 1,4-MePh type in template synthesis of mesoporous silicas was investigated. Silicas with extremely high specific surface area and bimodal pore distribution were synthesized with use of polyionene as structure-directing agent.

Possibility of carrying out of template synthesis of mesoporous silicas inside nanoreactors based on large pores of silica gel has been demonstrated.

Keywords: MCM-41, silica gel, Stober synthesis, spherical morphology of particles, template synthesis in nanoreactors.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В останні роки інтенсивно досліджуються можливості застосування супрамолекулярних міцелярних темплатів для контрольованого дизайну пористої структури з метою потенційного використання одержаних матеріалів у каталізі, адсорбції, фотоніці, сенсорних технологіях, акустиці.

На сучасному етапі основними напрямками в області темплатного синтезу однорідномезопористих кремнеземів є контроль пористої структури, а також регулювання морфології частинок таких матеріалів на макроскопічному рівні. Зокрема, сферична форма частинок є більш зручною для використання однорідномезопористих кремнеземів у хроматографічних методах розділення, для створення наноконтейнерів з біологічно активними речовинами і лікарськими засобами. Тому природно, що визначення умов синтезу мезопористих кремнеземів із сферичною формою частинок викликає підвищений інтерес у дослідників. Разом з тим, систематичні дані про вплив умов синтезу і співвідношень вихідних компонентів на морфологію і пористу структуру впорядкованих кремнеземів практично відсутні.

Окрім традиційного використання в ролі міцелярних темплатів поверхнево-активних речовин з різною довжиною вуглеводневого ланцюга для регулювання пористої структури, актуальним є пошук нових типів речовин, що проявляють структурно-направляючі властивості. З такої точки зору, становить інтерес використання як темплатів полімерів, що містять у своєму складі четвертинні атоми нітрогену (полікатіони, полііонени), які здатні до електростатичних взаємодій із силікатними макроаніонами.

Практичне використання однорідномезопористих кремнеземних матеріалів типу M41S в значній мірі стримується малою міцністю періодичних структур. Ми вважаємо, що одним із можливих способів надання таким кремнеземам механічної стійкості може бути їх синтез в більш широких порах матеріалів з достатньо високою структурною міцністю.

Тому проведені в даній роботі дослідження умов одержання однорідномезопористих кремнеземів із сферичною морфологією частинок, структурно-направляючої ролі полііонену в процесі темплатного синтезу та особливостей синтезу матеріалів типу МСМ-41 в більш широких порах силікагелю є важливими і актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України у відповідності з науково-дослідними тематиками держбюджетних тем: "Закономірності адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів" (№ державної реєстрації 0103U006286), проекту Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти та науки України "Іммобілізація нанокластерів металів в поверхневому шарі мезопористих матриць" (№ державної реєстрації 0104U006093) та в рамках цільової програми НАН України "Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології".

Мета та задачі дослідження. Мета дослідження - розробка відтворюваних методик синтезу однорідномезопористих кремнеземних матриць із сферичною морфологією частинок і контрольованою пористою структурою, а також дослідження структурно-направляючої ролі полііонену в складі міцелярних темплатів і особливостей темплатного синтезу мезопористих кремнеземів у нанореакторах на основі більш широких мезопор силікагелю. У відповідності до поставленої мети, необхідно було вирішити наступні основні задачі:

· дослідити закономірності синтезу однорідномезопористих кремнеземів типу МСМ-41 із однорідною сферичною грануляцією і контрольованими розмірами частинок;

· за розробленими методиками здійснити синтези мезопористих кремнеземів при використанні у складі темплату полііонену типу 1-4Ме-Рh, визначити його вплив на формування пористої структури кремнеземів;

· з'ясувати можливість і визначити оптимальні умови проведення темплатного синтезу впорядкованих кремнеземів в нанореакторах на основі більш широких мезопор силікагелю.

Об'єкти дослідження: фізико-хімічні закономірності процесу формування сферичних частинок у темплатному синтезі впорядкованих кремнеземів, структурно-направляючий вплив полііонену типу 1-4Ме-Рh, темплатний синтез в нанореакторах на основі пор силікагелю.

Предмет дослідження: вплив параметрів синтезу і наявності в складі темплату іонену на геометрію частинок і структурно-адсорбційні характеристики мезопористих кремнеземів, умови синтезу мезопористих кремнеземів в порах силікагелю.

Методи дослідження: низькотемпературна ад(де)сорбція азоту, рентгенофазовий аналіз (РФА), трансмісійна та скануюча електронна мікроскопія (ТЕМ, СЕМ), інфрачервона спектроскопія (ІЧ), термогравіметричний аналіз (ТГА).

Наукова новизна одержаних результатів. Проведено систематичні дослідження впливу умов середовища на формування впорядкованих кремнеземів із сферичною формою частинок та виявлено, що при використанні кислих і спиртово-основних середовищ можна синтезувати сферичні частинки мезопористих кремнеземів різного розміру, що мають високі значення питомої поверхні та різний ступінь впорядкування пористої структури. Встановлено можливість використання полііоненів, що мають четвертинний атом нітрогену в основному ланцюзі полімеру, в ролі структурно-направляючого реагенту у темплатному синтезі кремнеземів, що характеризуються бімодальною пористою структурою і розвиненою питомою поверхнею. Міцелярні розчини гексадецилтриметиламонійброміду (СТАВ) і тетраетоксисилану (TEOS) вперше використано для проведення темплатного синтезу мезопористих кремнеземів в крупних порах силікагелю. Розроблений підхід може сприяти покращенню механічної стабільності нанопористих структур і відкрити нові можливості їхнього використання в гетерогенному каталізі та адсорбції.

Практичне значення одержаних результатів. Основні результати роботи можуть бути використані для подальшої розробки методик синтезу мезопористих матриць із сферичною морфологією частинок. Такі матриці є перспективними для застосування як носіїв для хроматографії та використання як наноконтейнерів активних сполук та лікарських препаратів. Виявлені оптимальні умови використання 1,4-МеPh полііонену можуть бути застосовані для проведення темплатних синтезів мезопористих матеріалів з використанням іоненів і полікатіонів іншого типу. Умови проведення темплатного синтезу в порах кремнеземів можуть бути використані для створення періодичних структур в пористих наноректорах іншої хімічної природи.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведено підбір та аналіз літературних даних, особисто одержано основні експериментальні результати, здійснено обробку всіх результатів з низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту, термогравіметричного та рентгеноструктурного аналізів, сформульовано висновки. Постановка задачі досліджень та написання статей здійснено спільно з науковим керівником, доктором хімічних наук професором В.А. Тьортих. Вибір методик синтезу матеріалів і обговорення одержаних результатів проводилося спільно з В.В. Янишпольським. Рентгеноструктурний аналіз впорядкованих мезопористих кремнеземів було здійснено у співпраці з к.х.н. О.І. Оранською. Вимірювання ізотерм низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту проведено у співпраці з д.х.н. А.В. Рагулею та Т.Ф. Лобунець. (Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України). Розрахунки структурно-адсорбційних характеристик були проведені при використанні методу, запропонованого д.х.н., професором Гунько В.М. Електронно-мікроскопічні дослідження проводилися разом з к.ф._м.н. М.І. Даниленком (Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України).

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені на 30th and 31th International Сonferences on Vacuum Microbalance Techniques (Wroclaw, Poland, 2005 and Izmir, Turkey, 2007); 9th and 11th Polish-Ukrainian Symposia on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and Their Technological Applications (Sandomierz-Golejow, 2005 and Krasnobrod-Zamoњж, 2007, Poland); 10-ій Міжнародній конференції "Фізика і технологія тонких плівок" (Івано-Франківськ, Україна, 2005); 9-ій Міжнародній конференції в області хімії і фізико-хімії олігомерів "Oлігомери-2005" (Одеса, Україна, 2005); Всеукраїнських конференціях молодих вчених "Наноматеріали в хімії, біології та медицині" (Київ, 2006 та 2007), International Сonference "Nanomaterials in Chemistry, Biology and Medicine" (Kyiv, 2006), NATO Advanced Research Workshop "Sol-gel Approaches to Materials for Pollution Control, Water Purification and Soil Remediation" (Kyiv, Ukraine, 2007); International Conference "Modern Physical Chemistry for Advanced Materials" (Kharkiv, Ukraine, 2007).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 7 статей та тези 10 доповідей на конференціях і симпозіумах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, огляду літературних даних (розділ 1), методичної частини (розділ 2), експериментальної частини (розділи 3-5), загальних висновків та переліку використаних джерел. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 135 сторінках машинописного тексту, що містить 12 таблиць, 41 рисунок та бібліографію із 205 посилань.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, викладено мету роботи та задачі дослідження, визначено новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі дисертації проаналізовано основні літературні джерела, що висвітлюють механізм темплатного синтезу мезопористих кремнеземів, а також дані щодо їх термічної, гідротермічної і механічної стабільністі. Представлено основні сучасні підходи до синтезу мезопористих кремнеземів із контрольованою морфологією частинок. Розглянуто відомі способи синтезу кремнеземів із сферичною морфологією частинок. Проведено систематичний аналіз впливу умов синтезу і співвідношень вихідних компонентів на морфологію і розмір частинок, а також на ступінь впорядкованості структури мезопористих кремнеземів. З аналізу опублікованих в літературі даних зроблено висновки та вибрано напрям дисертаційного дослідження.

У другому розділі описано методи дослідження, матеріали, хімічні реагенти та розчинники, що застосовувались при виконанні дисертаційної роботи. Для одержання мезопористих кремнеземів як силікатний прекурсор використовували тетраетоксисилан (ТЕОS), як міцелярний темплат гексадецилтриметиламонійбромід (СТAB). Каталізаторами реакцій гелеутворення були концентровані розчини аміаку та соляної кислоти. Синтез мезопористих кремнеземів проводили також при використанні полііоенену типу 1-4 MePh (синтезовано д.х.н. проф. Бурмістром М.В. і к.х.н. Сухим К.М., Український технічний університет хімічних технологій, Днепропетровськ). Як пористий нанореактор для проведення темплатних синтезів було використано силікагель (питома поверхня 103 м2/г, розмір пор 30-50 нм). Синтезовані зразки були охарактеризовані методами низькотемпературної ад (де) сорбції азоту при 77 К, рентгенофазового аналізу, трансмісійної та скануючої електронної мікроскопії, ІЧ-спектроскопії дифузного відбиття, термогравіметричного аналізу. ІЧ-спектри синтезованих зразків реєстрували в області 4000-600 см-1 на Фур'є_спектрофотометрі з використанням методу дифузного відбиття. Рентгенофазовий аналіз проводили на дифрактометрі ДРОН-4-07 із застосуванням CuKб випромінювання. Ад (де) сорбційні вимірювання були здійснені на установці ASAP-2000 фірми Micromeritics (азот, 77 К). Форму синтезованих матеріалів ідентифікували методом скануючої електронної мікроскопії (Superprobe-733 JEOL), для дослідження структури використовували трансмісійну електронну мікроскопію (JEM-1OOCXII).

У третьому розділі запропоновано методики синтезу мезопористих кремнеземів із сферичною морфологією частинок як в основному, так і в кислому середовищах. В основному середовищі синтез здійснювали модифікованим методом Штобера при використанні ТЕОS як прекурсору кремнезему і СТАВ як супармолекулярного темплату. Синтез проводили при різних мольних співвідношеннях СТАВ/ТЕОS в ізопропанолі та етанолі (ROH). Склад компонентів суміші має наступне мольне співвідношення 1TEOS: ХСТАВ: 11NH3 : 144H2O: 58ROH, де Х = 0,1, 0,2 та 0,3. Синтез в кислому середовищі проводили при використанні TEOS, СТАВ і розчину соляної кислоти при мольному співвідношенні реагентів 0,1TEOS: 0,1СТАВ: 0,45HCl: 100H2O.

Ізотерми адсорбції азоту кремнеземами, синтезованими в основному середовищі з використанням етанолу при різних мольних співвідношеннях СТАВ/TEOS мають відносно крутий підйом при p/ps=0,20,4, що відповідає об'ємному заповненню в мезопорах, а невелика ширина підйому є ознакою однорідності пор; вираженої петлі гістерезису не спостерігається, оскільки діаметр пор є меншим за 3 нм. За розрахунками з рівняння БЕТ питома поверхня синтезованих матриць складає 700-1200 м2/г. На кривих розподілу пор за розміром, визначених DFT-методом, наявні максимуми в діапазоні розмірів пор 2,5-3,0 нм.

Ізотерми адсорбції азоту кремнеземами, синтезованими в основному середовищі з використанням ізопропанолу при мольному співвідношенні СТАВ/TEOS=0,2 та 0,3, також мають виражені області капілярної конденсації при значеннях відносних тисків р/рs=0,2-0,4. Питома поверхня синтезованих зразків складає 400-500 м2/г. Ізотерма адсорбції азоту кремнеземом, синтезованим в системі із мольним співвідношенням СТАВ/TEOS=0,1, має слабко виражену область капілярної конденсації і низьке значення питомої поверхні (170 м2/г). Максимуми на кривих розподілу пор за розмірами відповідають величинам 2,5-3,0 нм.

Дифрактограми кремнеземів, синтезованих в етанолі при мольному співвідношенні СТАВ/TEOS=0,3 та 0,2, мають три брегівських рефлекси в малокутовій області при значеннях 2и=2,5-7,0о з індексами (100), (110) і (200), що характерні для періодичних структур із гексагональним розташуванням пор. Дифрактограми кремнеземів, синтезованих в ізопропанолі при мольному співвідношенні СТАВ/TEOS=0,3 та 0,2, мають лише один слабкий максимум. Відстань між центрами циліндричних мезопор ао визначали за формулою

aо=2d100/30,5,

де d100 - відстань між гранями (100).

Товщина стінок пор h була розрахована за формулою

h=aо - dp,

де dp - діаметр пор, визначений DFT_методом. Значення h, розраховані для синтезованих в етанолі кремнеземів, складали 1,4-2,5 нм і вони є типовими для МСМ-41 кремнеземів (табл. 1).

Таблиця 1. Структурно-адсорбційні характеристики кремнеземів, синтезованих в основному середовищі

Мольне співвідношення СТАВ/ТЕОS

Спирт

Структура

aо, нм

dp, нм

hp, нм

Питома поверхня, м2

0,1

ізопропанол

розвпорядкована

-

2,5

-

166

0,2

ізопропанол

розвпорядкована

-

2,1

-

505

0,3

ізопропанол

розвпорядкована

-

2,3

-

458

0,1

етанол

слабковпорядкована

5,0

2,4

2,6

701

0,2

етанол

впорядкована гексагональна

4,0

2,5

1,5

1227

0,3

етанол

впорядкована гексагональна

3,9

2,5

1,4

946

Результати скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) чітко показують, що кремнеземи, синтезовані в етанол-аміачному середовищі при мольному співвідношенні СТАВ/TEOS= 0,3, складаються із однорідних частинок сферичної форми, діаметром 0,5 мкм. Синтез із використанням ізопропанолу дозволяє одержувати кремнеземи із частинками більшого розміру, але з менш вираженою сферичною грануляцією.

Ізотерма адсорбції азоту кремнеземом, синтезованим у кислому середовищі, відноситься до І типу за класифікацією IUPAC. Питома поверхня таких матриць, розрахована за методом БЕТ, складає 600 м2/г. Результати рентгеноструктурного аналізу одержаних кремнеземів свідчать про наявність на дифрактограмі лише одного рефлексу при 2 =3o, що характеризує слабковпорядковану пористу структуру.

Результати СЕМ показали, що в кислих розчинах вдається отримати сферичні частинки кремнеземів із середнім діаметром біля 10 мкм. Цілком слушно припустити, що кінцевий розмір частинок кремнезему, синтезованого в кислих і основних середовищах, визначається швидкостями процесів гідролізу прекурсору кремнезему та наступної поліконденсації продуктів гідролізу. В основному середовищі швидкості гідролізу і поліконденсації досить високі, що забезпечує утворення однорідних сферичних частинок вже після двохгодинного перемішування. Навпаки,

низька швидкість поліконденсації кремнієвої кислоти в кислому середовищі дозволяє отримувати крупні частинки кремнезему, а їх ріст при кімнатній температурі в спокійних умовах триває протягом 10 днів.

Для порівняльного аналізу структури кремнеземів, синтезованих в основному і кислому середовищах було використано бs_метод (табл. 2). Базуючись на даних стандартних ізотерм адсорбції, були побудовані бs_графіки для кремнеземів, синтезованих в основному і кислому середовищах.

Рис. бs-Графіки для кремнеземів, синтезованих у кислому середовищі при мольному співвідношенні СТАВ/ТЕОS=1 (1) і у спиртово-основному середовищі (2) при використанні етанолу з мольним співвідношенням СТАВ/TEOS = 0,3.

Питомі поверхні було розраховано за рівнянням:

,

де SBET (станд.) і Vстанд. - відповідно питома поверхня (м2/г) та об'єм адсорбованого азоту (см3/г) при р/рs=0,4 для стандартного непористого кремнезему; Vдосл.(бs=1) - об'єм адсорбованого азоту досліджуваного зразку при значеннях відносного тиску р/рs=0,4.

На бs-кривій кремнезему, синтезованого в спиртово-основному середовищі, відмічається помітний стрибок у поглинанні азоту при значеннях бs менше одиниці, що відповідає капілярній конденсації в мезопорах, а об'єм адсорбтиву при бs= 1 на дотичній до цього нахилу відповідає зовнішній поверхні адсорбенту (Sзовн). Питому поверхню пор (Sп) визначали як різницю між загальною (Sзаг) і зовнішньою поверхнею зразку. бs-Криві дозволяють також визначити загальний об'єм пор (Vп), об'єм мікро- (Vмікро) і мезопор (Vмезо). В структурі МСМ_41, синтезованого у основному середовищі, відсутні мікропори, на що вказує те, що дотична до бs-кривої практично проходить через початок осей координат (крива 2).

Для бs-кривої кремнезему, синтезованого в кислому середовищі (крива 1), характерна незначна мікропористість, при цьому об'єм мікропор (Vмікро) пропорційний відрізку, що відсікається на осі ординат при екстраполяції лінійної частини ізотерми. Прийнято вважати, що пори мезопористих кремнеземів є циліндричними і однорідними за розмірами, в такому випадку значення радіусів пор (rп) розраховують за рівнянням

.

Таблиця 2. Структурно-адсорбційні характеристики кремнеземів, синтезованих в кислому і основному середовищах.

Параметри структури

Кремнеземи, синтезовані у основному середовищі

Кремнеземи, синтезовані у кислому середовищі

SBET, м2

946

600

бs-аналіз

Sзаг, м2

925

606

Sзовн, м2

60

30

Sп, м2

864

577

Vп,cм3

0,6

0,24

Vмезо,cм3

0,2

-

Vмікро,cм3

-

0,03

rп, нм

1,2

0,8

Як було показано, крім зміни розмірів частинок, залежно від рН змінюється ступінь впорядкованості структури. Основною причиною таких відмінностей у структурі пор синтезованих матеріалів є спосіб взаємодії між темплатом і кремнеземом. Синтез матеріалів у кислому середовищі відбувався при значеннях рН, близьких до значення ізоелектричної точки кремнезему (рН=2,0-2,2), що сприяє протонізації кремнезему. В цьому випадку механізм формування структури може бути представлений як Si-OH2+ Наl- СТА+, тобто утворення мезофази кремнеземів, синтезованих в кислому середовищі, відбувається за рахунок галоген-аніонів Наl- (Cl-, Br-), що оточують позитивно заряджені міцелярні агрегати і електростатично координують протоновані олігомери ортокремнієвої кислоти. Відомо, що координація за рахунок протийонів сприяє формуванню менш впорядкованої структури, тому дифрактограми кремнеземів, синтезованих в кислому середовищі, характеризуються наявністю лише одного рефлексу з індексом (100). В основному середовищі більш ймовірною є безпосередня взаємодія між темплатом і макроаніонами кремнієвої кислоти, що має сприяти утворенню високовпорядкованих кремнеземних структур. Дійсно, мезопористі кремнеземи, синтезовані в основному середовищі, мають впорядковану структуру гексагонально розміщених пор, про що свідчить наявність на дифрактограмах трьох рефлексів в малокутовій області із індексацією (100), (110) та (200) і є типовими для МСМ-кремнеземів із гексагональною сингонією.

У четвертому розділі досліджено структурно-направляючу роль полімеру типу 1,4-МеPh, що містить четвертинні атоми нітрогену у головному ланцюзі і має загальну структурну формулу:

Синтез проводили в спиртово-аміачному середовищі при використанні TEOS і темплатів на основі СТАВ, до яких додавали різні кількості полііонену, значення мольного співвідношення СТАВ/TEOS=0,3 залишалось постійним (табл. 3).

Таблиця 3. Склад міцелярних темплатів у золь-гель синтезі кремнеземів, синтезованих із використанням 1,4-MePh іонену

№ зразку

Темплат

Мольне співвідношення темплат/TEOS

Вміст 1,4-MePh у складі темплату, моль %

1

CTAB

0,3

-

2

CTAB + I-4Me-Ph

0,3

1

3

CTAB + I-4Me-Ph

0,3

10

4

CTAB + I-4Me-Ph

0,3

33

5

I-4Me-Ph

0,3

100

Адсорбція азоту кремнеземами, синтезованими при використанні як темплату СТАВ і СТАВ з невеликими кількостями іонену (1-10 %), представлена типовими ізотермами IV типу, на яких стрімкий ріст адсорбції азоту відмічається у вузькому діапазоні значень відносних тисків (p/ps=0,2-0,4) і характеризує капілярну конденсацію в мезопорах. Питома поверхня, визначена методом БЕТ, складала 1050-1230 м2/г. На кривих розподілу пор за розміром присутні два максимуми, що характеризують наявність пор із розмірами 2,5 та 1 нм. Подальше збільшення концентрації полімеру у складі темплату (до 33 %) призводить до зменшення питомої поверхні до 700 м2/г. Область капілярної конденсації на ізотермах таких кремнеземів стає менш вираженою, що пояснюється зменшенням долі мезопор. Ізотерма адсорбції азоту кремнеземом, синтезованим з використанням як темплату чистого іонену, відноситься до ізотерми І типу. Такі матеріали мають відносно низькі значення питомої поверхні (240 м2/г).

На дифрактограмах кремнеземів, синтезованих із використанням як темплату чистого СТАВ і суміші СТАВ з невеликими кількостями іонену (до 10 %), наявні дифракційні рефлекси в малокутовій області, що відповідають індексам (100), (110) і (200) для гексагональної просторової симетрії. Дифрактограма кремнеземів, синтезованих при використанні темплату із 33 % вмістом іонену, має один рефлекс, що характеризує слабковпорядковану структуру. Кремнеземи, синтезовані при використанні чистого іонену як темплату, не мають виражених максимумів на дифрактограмі і характеризуються розвпорядкованою структурою пор.

Таким чином було показано, що введення до скаладу міцелярного темплату невеликих кількостей іонену (до 10 моль %) дозволяє синтезувати кремнеземи із більшими значеннями питомої поверхні, порівняно із кремнеземами, синтезованим при використанні чистого СТАВ. Такі матеріали мають впорядковану бімодальну структуру пор із розмірами 2,5 нм, що відповідають діаметрам утворюваних молекулами СТАВ міцел, та 1 нм, присутність яких може бути пояснена структурно-направляючою дією полііонену. Цілком ймовірно, що

молекули I,4_MePh утворюють невеликі агрегати, які виконують функцію темплатних комплексів і зумовлюють появу мікропор в кінцевому пористому матеріалі та ріст питомої поверхні. Відповідно до даних рентгеноструктурного аналізу збільшення кількості іонену (до 33 і 100 %) призводить до розвпорядкування пористої структури, зменшення питомої поверхні кремнеземів (табл. 4), водночас посилюється інтенсивність максимумів на кривих розподілу пор за розміром, характерних для пор, розміром 1 нм. кремнезем мезопористий нанореактор іонен

Такий вплив полімеру може бути пояснений як недостатньою для формування впорядковано розміщених міцел концентрацією СТАВ, так і підвищеним вмістом полімеру, що сприяє руйнуванню мезофази.

Таблиця 4. Структурно-адсорбційні характеристики кремнеземів, синтезованих при різному вмісті 1,4-MePh іонену в складі міцелярного темплату

Вміст I_4_Me_Ph у складі темплату, %

Питома поверхня, м2

ao, нм

Структура пор

1

-

950

3,9

впорядкована гексагональна

2

1

1230

3,8

впорядкована гексагональна

3

10

1055

3,9

впорядкована гексагональна

4

33

702

3,9

слабковпорядкована

5

100

239

-

розвпорядкована

Таким чином, встановлено, що полімер типу I,4-MePh може виконувати роль молекулярного темплату у синтезі мезопористих матеріалів, що дозволяє, варіюючи концентрацію полімеру, синтезувати кремнеземи із вищими значеннями питомої поверхні, контрольованими геометричними параметрами структури і впорядкованою гексагональною організацією пор.

У п'ятому розділі показано можливість проведення темплатного синтезу мезопористих кремнеземів в крупних порах силікагелю. Актуальність таких досліджень пов'язана з малою міцністю структури пор наноперіодичних матеріалів, що в значній мірі обмежує використання кремнеземів типу МСМ-41 в гетерогенному каталізі та адсорбції. Синтез в більш широких порах матеріалів з достатньо високою структурною міцністю може бути представлений як один із можливих способів надання таким кремнеземам механічної стійкості і дозволить відкрити нові можливості їхнього практичного використання.

Синтез мезопористих кремнеземів здійснювали шляхом поетапного введення міцелярних розчинів СТАВ і TEOS в об'єм пор силікагелю, що мав питому поверхню 103 м2/г і середній діаметр пор 35 нм. Мольне співвідношення компонентів міцелярного розчину було збережено для всіх синтезів і становило 1TEOS: 0,18CTAB: 5NH3: 75H2O.

Ізотерма низькотемпературної адсорбції азоту для вихідного силікагелю є ізотермою ІІІ типу і наявність петлі гістерезису в області високих значень відносних тисків свідчить про присутність в структурі матеріалу широких пор. Після проведення темплатного синтезу ізотерма зразків характеризується появою різкого підйому в області 0,3<p/ps<0,4, що зростає після збільшення кількості проведених темплатних синтезів. На кривих розподілу пор за розмірами окрім пор, розміром 30-40 нм, характерних для силікагелю, відмічається поява максимумів, характерних для діаметрів 2,5-3 нм, які викликають суттєве зменшення загального об'єму пор, пов'язаного із заповненням пористого простору силікагелю, а також збільшення питомої поверхні від 103 до 314 м2/г (табл. 5).

Відсутність будь-яких рефлексів на дифрактограмах вихідного силікагелю підтверджує його аморфну природу. Дифрактограми чітко показують, що введення міцелярних розчинів в пори силікагелю призводить до появи рефлексів в малокутовій області. Представлені піки є досить широкими, що може бути викликане формуванням в ході темплатного синтезу слабковпорядкованої структури кремнеземів, а невисоку інтенсивність таких рефлексів можна пояснити тим, що після заповнення поруватого простору, масове співвідношення мезопористого кремнезему і силікагелю є невисоким.

За результатами термічного аналізу було визначено відносний вміст синтезованого в порах мезопористого кремнезему. ТГ-, ДТГ- і ДТА-криві мають типовий для органонеорганічних матеріалів вигляд і характеризуються чотирма вираженими ділянками втрати маси.

Початкова втрата маси (біля 4 %) спостерігається при температурі до 473 К та пов'язана із видаленням фізично адсорбованої води і аміаку. В діапазоні температур від 473 до 633 К відмічається основна втрата маси (біля 12 %), що супроводжується екзотермічним ефектом (ДТА-крива) і викликана руйнуванням темплату. Третій пік на ДТГ_кривій в інтервалі температур 633-823 К відповідає термічному окисненню залишкової органіки (7 %). При температурі вище 823 К спостерігається незначна втрата маси (2,9 %), яку можна пояснити випаровуванням води, утвореної в результаті конденсації силанольних груп. Повна втрата маси складає 25,9 %, з них біля 19 % відповідає вмісту органічного темплату. Враховуючи, що кількості СТАВ та ТЕОS у вихідному міцелярному розчині були однакові, можна стверджувати, що після проведення темплатних синтезів в порах силікагелю синтезовано мезопористий кремнезем, що складає біля 3 % від загальної маси зразку.

Таблиця 5. Структурно-адсорбційні характеристики силікагелю із синтезованим в його порах мезопористим кремнеземом

Зразок

Sмезо, м2

Sмакро, м2

Sмікро, м2

Sзаг, м2

Vмезо, см3

Vмакро, см3

Vмікро, см3

Вихідний силікагель

66

14

23

103

0,463

0,229

0,007

Кількість темплатних синтезів в порах силікагелю

1

105

9

32

146

0,429

0,149

0,012

2

156

3

46

205

0,355

0,050

0,015

3

248

2

12

262

0,369

0,027

0,004

4

292

1

0

293

0,390

0,030

0

5

295

1

0

296

0,383

0,017

0

6

313

1

0

314

0,390

0,026

0

В роботі показано можливість використання міцелярних темплатів для здійснення синтезу мезопористих матриць в нанореакторах на основі крупних пор силікагелю. Враховуючи перспективність таких досліджень для підвищення механічної стійкості наноструктур, умови проведення темплатного синтезу в порах кремнеземів можуть бути в подальшому застосовані для одержання періодичних структур в порах матеріалів іншої хімічної природи.

Висновки

1. На основі аналізу літературних даних встановлено актуальність дослідження особливостей формування мезопористих матеріалів із сферичною морфологією частинок і контрольованою пористою структурою та відмічено, що важливим напрямом в області синтезу нанопористих матеріалів є підвищення їх структурної стабільності.

2. Досліджено вплив рН середовища, природи спирту і концентрації вихідних компонентів міцелярних розчинів на структурно-адсорбційні характеристики та морфологію впорядкованих кремнеземів і встановлено, що в залежності від рН середовища утворюються матеріали із однорідною сферичною грануляцією частинок та різним ступенем впорядкування структури.

3. Розроблено методику синтезу в спиртово-основному середовищі однорідномезопористих кремнеземів типу МСМ-41, що мають високу питому поверхню (550-1200 м2/г), виключно вузький розподіл пор за розмірами і складаються із однорідних частинок сферичної форми, розміром 0,5 мкм. Показано можливість контролю геометричних параметрів структури синтезованих кремнеземів залежно від співвідношення вихідних компонентів і типу спирту.

4. Показано можливість одержання впорядкованих пористих кремнеземів із високими значеннями питомої поверхні (600 м2/г) і сферичною грануляцією частинок та розміром 10 мкм, при проведенні темплатного синтезу в кислому середовищі.

5. Встановлено, що використання в спиртово-основному середовищі як міцелярного темплату суміші СТАВ і різних кількостей полііонену типу 1,4-MePh дозволяє синтезувати впорядковані кремнеземи із бімодальною пористою структурою і високими значеннями питомої поверхні (1000-1200 м2/г).

6. Запропоновано використання міцелярних розчинів СТАВ і TEOS для проведення темплатного синтезу мезопористих кремнеземів в крупних порах силікагелю.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Березовская И.С. Нанопористые кремнеземы с однородной сферической морфологией частиц / И.С. Березовская, В.В. Янишпольский, В.А. Тертых // Наноструктурное материаловедение. - 2005. - Т. 1. - С. 24-28.

2. Template synthesis of porous silica adsorbents with spherical morphology of particles / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh, T.F. Lobunets, A.V. Ragulya // Adsorption Science and Technology. - 2006. - V. 24, № 5. - P. 403-410.

3. Особливості синтезу однорідномезопористих та металовмісних кремнеземних матриць / В.А. Тьортих, В.В. Янишпольський, І.С. Березовська, К.В. Каток, А.М. Павленко // Фундаментальні орієнтири науки. Хімія та наукові основи перспективних технологій. - 2005. - C. 74-88.

4. Ionene role in composition of porous structure of template-synthesized silicas / I.S. Berezovska, V. V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh, M.V. Burmistr, K.M. Sukhyy // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2006. - V. 86, № 1. - P. 93-96.

5. Behavior of pure water and water mixture with benzene or chloroform adsorbed onto ordered mesoporous silicas / V. M. Gun'ko, V.V. Turov, A.V. Turov, V. I. Zarko, V. I. Gerda, V. V. Yanishpolskii, I.S. Berezovska, V. A. Tertykh // Central European Journal of Chemistry. - 2007. - V. 5, № 2. - P. 420-454.

6. Мезопористые кремнеземные матрицы и их применение в синтезе наноструктур / В.А. Тертых, В.В. Янишпольский, К.В. Каток, И.С. Березовская // Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных структур: [сб. науч. трудов / под ред. А.П. Шпака и П.П. Горбика]. - К. : Наукова думка, 2007. - Т. 1. - С. 366-393.

7. Березовська І.С. Синтез та дослідження однорідномезопористих кремнеземних матриць із сферичною морфологією частинок / І.С. Березовська, В.В. Янишпольський, В.А. Тьортих // Наукові записки. НАУКМА, Хімічні науки і технології. - 2006. - Т. 55. - С. 69-75.

8. Berezovska I.S. Template synthesis of silica adsorbents with controlled porosity and spherical morphology of particles / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh // 9-th Polish-Ukrainian Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications. - Sandomierz, Wolka Milanowska, Poland, 5-9 September 2005. - P. 22-25.

9. Березовська І.С. Синтез та дослідження нанопористих кремнеземів із сферичною морфологією частинок / І.С. Березовська, В.В. Янишпольський, В.А. Тьортих // 10-та міжнародна конференція "Фізика і технологія тонких плівок" ; Івано-Франківськ, 16-21 травня 2005 р. - Івано-Франківськ, 2005. - С. 53-54.

10. Березовська І.С. Синтез та дослідження мезопористих кремнеземних матриць із контрольованою морфологією частинок / І.С. Березовська, В.В. Янишпольський, В.А. Тьортих // Всеукраїнська конференція молодих вчених "Наноматеріали в хімії, біології та медицині" ; Київ, Україна, 24-25 травня 2006 р. - К., 2006. - С. 54.

11. Berezovska I.S. Synthesis of mesoporous silica matrices with spherical morphology of particles / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh // International Conference "Modern Physical Chemistry for Advanced Materials" ; Kharkiv, Ukraine, 26-30 June 2007. - Kharkiv 2007. - P. 80-81.

12. Роль ионенов в темплатном золь-гель синтезе кремнеземов / И.С. Березовская, В.В. Янишпольский, В.А. Тертых, М.В. Бурмистр, К.М. Сухой, В.В. Шилов // Девятая международная конференция по химии и физикохимии олигомеров "Олигомеры - 2005" ; Одесса, Украина, 13-16 сентября 2005 г. - Одеса, 2005. - С. 190.

13. Effect of ionene on porous structure of silicas / I.S. Berezovska, V. V. Yanishpolskii, V. A. Tertykh, M. V. Burmistr, K. M. Sukhyy, V. V. Shilov //

14. 30-th International Conference on Vacuum Microbalance Techniques. - Wroclaw, Poland, 29 June - 1 July 2005. - P. 19.

15. Berezovska I.S. Ionene role in template synthesis of silicas with controlled porosity / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh // International Conference "Nanomaterials in Chemistry, Biology and Medicine" ; Kyiv, Ukraine, 14-17 September 2005. - Kyiv, 2005.- P. 91.

16. Berezovska I.S. Morphology control and approach to mechanical strength improvement of template-synthesized silicas / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh // 11-th Polish-Ukrainian Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications.- Krasnobrod - Zamosc, Poland, 22- 26 August 2007. - Р. 4.

17. Berezovska I.S. Template synthesis of mesoporous silicas inside large pores of silica gel and their morphology control / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh // NATO Advanced Research Workshop: "Sol-gel Approaches to Materials for Pollution Control, Water Purification and Soil Remediation" ; Kyiv, Pushcha-Voditsa, Ukraine, 25-27 October 2007. - Kyiv, 2007. - P. 32.

18. Berezovska I.S. Mesoporous silicas: morphology control and approach in improvement of their mechanical stability / I.S. Berezovska, V.V. Yanishpolskii, V.A. Tertykh // 31_th International Vacuum Microbalance Techniques Conference. - Izmir, Turkey, 12-14 September 2007. - P. 49.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Методика синтезу полікристалічних високотемпературних надпровідників. Основні відомості з фізики рентгенівських променів та способи їх реєстрації. Синтез твердих розчинів LnBa2Cu3O7, їх структурно-графічні властивості і вміст рідкісноземельних елементів.

    дипломная работа [654,6 K], добавлен 27.02.2010

  • Методика розробки методів синтезу високотемпературних надпровідників. Сутність хімічного модифікування і створення ефективних центрів спінінга. Синтез, структурно-графічні властивості та рентгенографічний аналіз твердих розчинів LaBa2Cu3O7 та SmBa2Cu3O7.

    дипломная работа [309,3 K], добавлен 27.02.2010

  • Захист від атмосферної корозії із застосуванням інгібіторів. Міжопераційний захист металовиробів. Методика зняття анодних поляризаційних кривих та дослідження анодної поведінки сталі. Методика нанесення конверсійних покриттів при потенціалі пасивації.

    дипломная работа [5,4 M], добавлен 18.03.2013

  • Вивчення властивостей та галузей застосування молібдену. Участь хімічного елементу у вуглеводневому обміні, синтезі вітамінів. Аналіз його впливу на інтенсивність окислювально-відновлювальних реакцій. Наслідки дефіциту молібдену в живильному середовищі.

    реферат [20,4 K], добавлен 26.03.2015

  • Особливості будови та загальні способи одержання похідних 1,4-дигідропіридину з флуорованими замісниками, їх біологічна активність. Використання синтезу Ганча для утворення похідних 4-арил-1,4-дигідропіридину на основі о-трифлуорометилбензальдегіду.

    дипломная работа [734,7 K], добавлен 25.04.2012

  • Фізичні та хімічні способи відновлення галогенідів золота. Методи отримання сферичних частинок. Схема двохфазного синтезу за методом Бруста. Електрохімічні методи отримання наностержнів. Основні способи отримання нанопризм: фотовідновлення, біосинтез.

    презентация [2,0 M], добавлен 20.10.2013

  • Поняття та структура хіноліну, його фізичні та хімічні властивості, будова та характерні реакції. Застосування хінолінів. Характеристика методів синтезу хінолінів: Скраупа, Дебнера-Мілера, Фрідлендера, інші методи. Особливості синтезу похідних хіноліну.

    курсовая работа [1,9 M], добавлен 25.10.2010

  • Конструювання фосфоровмісні сполук, які мають ациклічний вуглецевий скелет і здатні вступати в реакції циклоконденсації. Дослідження умов та реагентів для перетворення ациклічних фосфоровмісних похідних енамінів в л5 фосфініни та їх аза аналоги.

    автореферат [24,9 K], добавлен 11.04.2009

  • Дослідження умов сонохімічного синтезу наночастинок цинк оксиду з розчинів органічних речовин. Вивчення властивостей цинк оксиду і особливостей його застосування. Встановлення залежності морфології та розмірів одержаних наночастинок від умов синтезу.

    дипломная работа [985,8 K], добавлен 20.10.2013

  • Методи одержання та напрями використання електропровідних полімерів. Методика синтезу композитів ПАн-МоО3 та ППірол-МоО3. Особливості виготовлення та дослідження розрядних характеристик літієвих джерел струму із синтезованими катодними матеріалами.

    курсовая работа [139,2 K], добавлен 03.05.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.