Особливості морфології та текстури кремнеземних і вуглецевих адсорбентів

  • В. М. Гунько Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
Ключові слова: нанокремнеземи, пористі кремнеземи, вуглецеві адсорбенти, морфологія частинок, текстурні характеристики, співвідношення об’єм пор – питома поверхня

Анотація

          Морфологію і текстуру різних кремнеземів (93 пірогенних і 56 пористих), різних вуглецевих адсорбентів (230), і пористих полімерів (53) проаналізовано з використанням тестових адсорбатів (азот, аргон, бензол, декан, вода), мало-кутового розсіювання рентгенівських променів (SAXS), трансмісійної (ТЕМ) і скануючої (СЕМ) електронної і атомно-силової (АСМ) мікроскопії. Є певні кореляції між об’ємом пор (Vp) і питомою поверхнею (SBET) для цих матеріалів. Температури синтезу і тренування впливають на цю залежність, оскільки для лінійного Vp - SBET наближення розсіювання зменшується з цими температурами. Кремнеземи складаються з непористих наночастинок (NPNP). Активоване вугілля (AC) складається з пористих наночастинок (PNP). Для різних матеріалів нанопор слабо або сильно упаковані у вторинних структурах. Проте, існують загальні особливості розподілів розмірів пор (PSD) для матеріалів на основі нанопор, наприклад, мінімальний внесок вузьких мезопор 3-5 нм радіусу внаслідок ефектів упаковки. Для АС на основі тих самих прекурсорів, карбонізатів та агентів активації проте з варіюванням часу активації, текстурні характеристики демонструють плавні зміни в залежності від ступеня активації: нанопори перетворюються у вузькі мезопори з протилежними зрушеннями PSD широких мезопор і макропор. Порівняння адсорбції (відкриті пори, що доступні для зондів) і SAXS (відкриті і закриті пори) даних для АС показує, що різниця зменшується зі збільшенням ступеня активації за рахунок зменшення внеску закритих пор. Більшість чіткі уявлення щодо морфології частинок і текстури можуть бути отримані при паралельному застосуванні адсорбції SAXS і мікроскопічних методів з відповідними методами числового аналізу даними.

Посилання

1. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2008).

2. Hastie J.W. (editor). Materials Chemistry at High Temperatures. Vol. 1, Characterization. Vol. 2, Processing and Performance. (NJ: Clifton, Humana Press, 1990). https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0481-7

3. Büchel K.H., Moretto H.-H., Woditsch P. Industrial inorganic chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000). https://doi.org/10.1002/9783527613328

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

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

6. Bergna H.E., Roberts W.O. (editors). Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006). https://doi.org/10.1201/9781420028706

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

8. Dabrowski A., Tertykh V.A. (editors). Adsorption on New and Modified Inorganic Sorbents; Studies in Surface Science and Catalysis. Vol. 99. (Amsterdam: Elsevier, 1996).

9. Basic characteristics of Aerosil fumed silica (4th ed.). Tech. Bull. Fine Particles 11. (Hanau: Evonik Industries, 2014).

10. Nicolais L., Borzacchiello A., Lee S.M. (editors). Wiley Encyclopedia of Composite. Materials, 5-Volume set, 2nd ed. (Hoboken, NJ: Wiley, 2012).

11. Marsh H., Rodríguez-Reinoso F. Activated Carbon. (London: Elsevier, 2006). https://doi.org/10.1016/B978-008044463-5/50016-9

12. Tascón J.M.D. (editor). Novel Carbon Adsorbents. (Amsterdam: Elsevier, 2012).

13. 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

14. 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

15. Kulkarni P., Baron P.A., Willeke K. (editors). Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition. (New York: John Wiley & Sons, 2011). https://doi.org/10.1002/9781118001684

16. Auner N., Weis J. (editors). Oganosilicon Chemistry VI. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005).

17. Piemonte V., De Falco M., Basile A. (editors). Sustainable Development in Chemical Engineering - Innovative Technologies. First Edition. (Chichester, UK: John Wiley & Sons, 2013). https://doi.org/10.1002/9781118629703

18. Xu R., Pang W., Yu J. Chemistry of Zeolites and Related Porous Materials: Synthesis and Structure. (Hoboken, N.J.: Wiley-Interscience, 2007). https://doi.org/10.1002/9780470822371

19. Hench L.L. Sol-Gel Silica. (Norwich, N.Y.: William Andrew, 1998).

20. Corma A., Kumar D., Bonneviot L., Béland F., Danumah C., Giasson S., Kaliaguine S. (editors). Mesoporous Molecular Sieves. Vol. 117. Studies in Surface Science and Catalysis. (Amsterdam: Elsevier, 1998).

21. Dodiuk H., Goodman S. (editors). Handbook of Thermoset Plastics. Third Edition. (Oxford, UK: Elsevier, 2014). https://doi.org/10.1016/B978-1-4557-3107-7.00027-0

22. Pietsch W. Agglomeration in Industry. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005).

23. Theodore L., Kunz R. G. Nanotechnology: Environmental Implications and Solutions. (Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, 2005). https://doi.org/10.1002/0471711705

24. Theodore L. Nanotechnology: Basic Calculations for Engineers and Scientists. (Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, 2006). https://doi.org/10.1002/0471752010

25. Bansal R.C., Donnet J.B., Stoeckli F. Active Carbon. (New York: Marcel Dekker, 1988).

26. Smisek M., Cerny S. Active Carbon. (Amsterdam: Elsevier, 1970).

27. Gregg S.J., Sing K.S.W., Stoeckli H.F. (editors). Characterization of Porous Solids. (London: Soc. Chem. Industry, 1979).

28. McEnaney B., Mays T.J., Rodriguez-Reinoso F. (editors). Fundamental Aspects of Active Carbons. Special issue. Carbon 1998. 36(10).

29. Cooney D.O. Activated Charcoal in Medical Applications. (New York: Marcel Dekker, 1995). https://doi.org/10.1201/9780367803964

30. Rodriguez-Reinoso F., McEnaney B., Rouquerol J., Unger K. (editors). Studies in Surface Science and Catalysis, Vol. 144, Characterisation of Porous Solids VI. (Amsterdam: Elsevier Science, 2002).

31. Karlsson H.L., Toprak M.S., Fadeel B. Toxicity of metal and metal oxide nanoparticles. in: G.F. Nordberg, B.A. Fowler, M. Nordberg (editors). Handbook on the Toxicology of Metals, Fourth Edition (Amsterdam: Elsevier, 2015, pp. 75-112). https://doi.org/10.1016/B978-0-444-59453-2.00004-4

32. Blitz J.P., Gun'ko V.M. (editors). Surface Chemistry in Biomedical and Environmental Science. NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. Vol. 228. (Dordrecht: Springer, 2006). https://doi.org/10.1007/1-4020-4741-X

33. Younes M., Aggett P., Aguilar F., Crebelli R., Dusemund B., Filipic M., Frutos M.J., Galtier P., Gott D., Gundert-Remy U., Kuhnle G.G., Leblanc J.-C., Lillegaard I.T., Moldeus P., Mortensen A., Oskarsson A., Stankovic I., Waalkens-Berendsen I., Woutersen R.A., Wright M., Boon P., Chrysafidis D., Gurtler R., Mosesso P., Parent-Massin D., Tobback P., Kovalkovicova N., Rincon A.M., Tard A., Lambre C. Re-evaluation of silicon dioxide (E 551) as a food additive. EFSA Journal. 2018. 16(1): 5088. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2018.5088

34. Cabot Corporation. http://www.cabotcorp.com/solutions/products-plus/fumed-metal-oxides/.

35. DuPont. http://www.dupont.com/.

36. Evonik Ind. http://corporate.evonik.com/en/Pages/default.aspx. http://www.aerosil.com/product/aerosil/en/services/downloads/Pages/test-methods.aspx.

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

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

39. Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Physorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution. IUPAC Technical Report. Pure Application Chemistry. 2015. 87: 1051. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117

40. Biricik H., Sarier N. Comparative study of the characteristics of nano silica-, silica fume- and fly ash - incorporated cement mortars. Materials Research. 2014. 17: 570. https://doi.org/10.1590/S1516-14392014005000054

41. Hashim A.A. (editor). Smart Nanoparticles Technology. (Rijeka, Croatia: InTech, 2012). https://doi.org/10.5772/1969

42. 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: 10727. https://doi.org/10.1021/jp201835r

43. Gun'ko V.M. Polymer adsorbents vs. functionalized oxides and carbons: particulate morphology and textural and surface characterization. Polymers. 2021. 13(8): 1249. https://doi.org/10.3390/polym13081249

44. Gun'ko V.M., Mironyuk I.F., Zarko V.I., Turov V.V., Voronin E.F., Pakhlov E.M., Goncharuk E.V., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Chibowski S., Levchuk Yu.N., Klyueva A.V. Fumed silicas possessing different morphology and hydrophilicity. J. Colloid Interface Sci. 2001. 242: 90. https://doi.org/10.1006/jcis.2001.7736

45. 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., Gorbik P. P., Pissis P., Blitz J. P. TSDC spectroscopy of relaxational and interfacial phenomena. Adv. Colloid Interface Sci. 2007. 131: 1. https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.11.001

46. Gun'ko V.M. Nano/meso/macroporous materials characterization affected by experimental conditions and features of the used methods. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2020. 11(1): 5. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.005

47. Gun'ko V.M., Do D.D. Characterization of pore structure of carbon adsorbents using regularization procedure. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2001. 193: 71. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(01)00685-9

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

49. Gun'ko V.M., Turov V.V., Kozynchenko O.P., Nikolaev V.G., Tennison S.R., Meikle S.T., Snezhkova E.A., Sidorenko A.S., Ehrburger-Dolle F., Morfin I., Klymchuk D.O., Mikhalovsky S.V. Activation and structural and adsorption features of activated carbons with highly developed micro-, meso- and microporosity. Adsorption 2011. 17: 453. https://doi.org/10.1007/s10450-010-9282-6

50. Gun'ko V.M., Kozynchenko O.P., Tennison S.R., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Mikhalovsky S.V. Comparative study of nanopores in activated carbons by HRTEM and adsorption methods. Carbon. 2012. 50: 3146. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.10.009

51. Shuttleworth P.S., Budarin V.L., White R.J., Gun'ko V.M., Luque R., Clark J.H. Molecular-level understanding of the carbonisation of polysaccharides. Chem. Eur. J. 2013. 19: 9351. https://doi.org/10.1002/chem.201300825

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

53. Pujari P.K., Sen D., Amarendra G., Abhaya S., Pandey A.K., Dutta D., Mazubder S. Study of pore structure in grafted polymer membranes using slow positron beam and small-angle X-ray scattering techniques. Nuclear. Instr. Method Phys. Res. B. 2007. 254: 278. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.11.052

54. Sakurai S. SAXS evaluation of size distribution for nanoparticles. Chapter 5 (http://dx.doi.org/10.5772/105981). in A.E. Ares (editor). X-ray Scattering. (DOI: 10.5772/65049). (Rijeka Croatia: InTech, 2017, pp. 107-134).

55. Brumberger H. (editor). Small Angle X-ray Scattering. (New York: Gordon & Breach, 1965).

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

57. 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: 8681. https://doi.org/10.1021/jp055992f

58. Gun'ko V.M. Textural characteristics of composite adsorbents analyzed with density functional theory and self-consistent regularization procedure. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2020. 11(2): 163-174. https://doi.org/10.15407/hftp11.02.163

59. Gun'ko V.M. Composite materials: textural characteristics. Applied Surface Science. 2014. 307: 444. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.055

60. Tarazona P., Marconi U.M.B., Evans R. Phase equilibria of fluid interfaces and confined fluids - non-local versus local density functionals. Mol. Phys. 1987. 60: 573. https://doi.org/10.1080/00268978700100381

61. Lastoskie C., Gubbins K.E., Quirke N. Pore size distribution analysis of microporous carbons: a density functional theory approach. J. Phys. Chem. 1993. 97: 4786. https://doi.org/10.1021/j100120a035

62. Olivier J.P. Modeling physical adsorption on porous and nonporous solids using density functional theory. J. Porous Mater. 1995. 2: 9. https://doi.org/10.1007/BF00486565

63. Olivier J.P. Improving the models used for calculating the size distribution of micropore volume of activated carbons from adsorption data. Carbon. 1998. 36: 1469. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00139-0

64. Occelli M.L., Olivier J.P., Perdigon-Melon J.A., Auroux A. Surface area, pore volume distribution, and acidity in mesoporous expanded clay catalysts from hybrid density functional theory (DFT) and adsorption microcalorimetry methods. Langmuir. 2002. 18: 9816. https://doi.org/10.1021/la020567o

65. Lowell S., Shields J., Thomas M.A., Thommes M. Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Porosity and Density. (Dordrecht: Springer, 2004). https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2303-3

66. Rouquerol J., Baron G.V., Denoyel R., Giesche H., Groen J., Klobes P., Levitz P., Neimark A.V., Rigby S., Skudas R., Sing K., Thommes M., Unger K. The characterization of macroporous solids: An overview of the methodology. Microporous Mesoporous Mater. 2012. 154: 2. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.09.031

67. Ravikovitch P.I., Neimark A.V. Density functional theory model of adsorption on amorphous and microporous silica materials. Langmuir. 2006. 22: 11171. https://doi.org/10.1021/la0616146

68. Landers J., Gor G.Y., Neimark A.V. Density functional theory methods for characterization of porous materials. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2013. 437: 3. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.01.007

69. Neimark A.V., Lin Y., Ravikovitch P.I., Thommes M. Quenched solid density functional theory and pore size analysis of micro-mesoporous carbons. Carbon. 2009. 47: 1617. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.01.050

70. Gor G.Y., Thommes M., Cychosz K.A., Neimark A.V. Quenched solid density functional theory method for characterization of mesoporous carbons by nitrogen adsorption. Carbon. 2012. 50: 1583. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.11.037

71. Jagiello J., Olivier J.P. A simple two-dimensional NLDFT model of gas adsorption in finite carbon pores. Application to pore structure analysis. J. Phys. Chem. C. 2009. 113: 19382. https://doi.org/10.1021/jp9082147

72. Nguyen C., Do D.D. A new method for the characterization of porous materials. Langmuir. 1999. 15: 3608. https://doi.org/10.1021/la981140d

73. Nguyen C., Do D.D. Effects of probing vapors and temperature on the characterization of micro-mesopore size distribution of carbonaceous materials. Langmuir. 2000. 16: 7218. https://doi.org/10.1021/la991596a

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

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

76. Horcas I., Fernández R., Gómez-Rodríguez J. M., Colchero J., Gómez-Herrero J., Baro A. M. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 2007. 78: 013705.  https://doi.org/10.1063/1.2432410

77. Fiji. https://imagej.net/software/fiji/ (last accessed on June 12, 2021).

78. ImageJ. https://imagej.nih.gov/ij/ (last accessed on May 15, 2021).

79. 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

80. 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. Applied Surface Science. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

81. 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. Applied Surface Science. 2005. 252: 612. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.02.075

82. Tennison S.R. Phenolic resin derived activated carbons. Appl. Cat. A Gen. 1998. 173: 289.

https://doi.org/10.1016/S0926-860X(98)00186-0

83. Tennison S.R., Kozynchenko O.P., Strelko V.V., Blackburn A.J. Porous carbons. US patent 2004024074A1, 2004.

Опубліковано
2021-11-28
Як цитувати
Гунько, В. М. (2021). Особливості морфології та текстури кремнеземних і вуглецевих адсорбентів. Поверхня, (13(28), 127-165. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.127
Розділ
Фізико-хімія поверхневих явищ