Гібридні композити синтезовані при карбонізації ацетилацетону та ацетилацетонатів металів на поверхні силікагелю

  • В. М. Гунько Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • Я. Скубішевська-Земба Університет ім. Марії Кюрі-Склодовської
  • Б. Хармас Університет ім. Марії Кюрі-Склодовської
Ключові слова: мезопористий силікагель, карбонізація ацетилацетонатів металів, вуглецеві депозити, депозити вуглець/сполука металу, морфологія депозитів, текстурні характеристики, десорбція води

Анотація

Гібридні адсорбенти з вуглецем/кремнеземом, вуглецем/оксидом металу/кремнеземом і вуглецем/металом/кремнеземом можуть бути цікаві з практичної точки зору, оскільки вони можуть ефективно адсорбувати як полярні, так і неполярні сполуки. Тому мезопористий силікагель Si–60, модифікований карбонізацією ацетилацетону або ацетилацетонатів цирконію, титану, нікелю, цинку, хрому та кобальту досліджували за допомогою адсорбції-десорбції азоту та води, термогравіметрії, трансмісійної електронної мікроскопії, рентгенівської дифракції та рентгенівської флуоресценції. Прищеплені фази C/X складаються із сполук металу (X позначає оксид або силікат металу або метал) і вугілля, характеристики яких можна змінювати, змінюючи метал у прекурсорах та їхню кількість при карбонізації. Морфологічні, структурні та текстурні характеристики C/X/SiO2, такі як склад і розподіл частинок за розміром депозитів, число та сорт полярних та неполярних поверхневих центрів, питома поверхня, об’єм пор та розподіл пор за розмірами залежать від типу і вмісту депозитів C/X. Зміни в прищеплених речовинах відбуваються зі збільшенням концентрації прекурсору та C/X та можливого каталітичного ефекту X-фаз на карбонізацію. Правильний підбір структури та кількості прекурсорів дозволяє контролювати характеристики гібридних адсорбентів, що важливо з практичної точки зору.

Посилання

Yang R.T. Adsorbents: Fundamentals and Applications. (New York: Wiley, 2003). https://doi.org/10.1002/047144409X

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

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

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

Ahuja S. (Ed.) Separation Science and Technology. Vol. 15. (Amsterdam: Elsevier, 2022).

Hussain C.M. (Ed.) Handbook of Polymer Nanocomposites for Industrial Applications. (Amsterdam: Elsevier, 2021).

Ahmad A., Kumar R., Jawaid M. (Eds.) Emerging Techniques for Treatment of Toxic Metals from Wastewater. (Amsterdam: Elsevier, 2022).

S. Singh, P. Kumar, D.P. Mondal (Eds.) Advanced Ceramics for Versatile Interdisciplinary Applications. (Amsterdam: Elsevier, 2022).

Ngu L.H. Carbon Capture Technologies. (Amsterdam: Elsevier, 2022). https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90386-8.00028-0

Lu K. Nanoparticulate Materials. Synthesis, Characterization, and Processing. (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013).

Moreno-Piraján J.C., Giraldo-Gutierrez L., Gómez-Granados F. Porous Materials Theory and Its Application for Environmental Remediation. (Cham: Springer Nature, 2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-65991-2

Rousseau R.W. Handbook of Separation Process Technology. (New York: John Wiley & Sons, 1987).

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

Leboda R. Carbon-mineral adsorbents - new type of sorbents. Part I. The methods of preparation. Mater. Chem. Phys. 1992. 31: 243. Part II. Surface properties and methods of their modification Mater. Chem. Phys. 1993. 34: 123. https://doi.org/10.1016/0254-0584(93)90202-W

Chan Z., Miao F., Xiao Z., Juan H., Hongbing Z. Effect of doping levels on the pore structure of carbon nanotube/silica xerogel composites. Mater. Lett.2007. 61: 644. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.05.074

Lavorgna M., Romeo V., Martone A., Zarrelli M., Giordano M., Buonocore G.G., Qu M.Z., Fei G.X., Xia H.S. Silanization and silica enrichment of multiwalled carbon nanotubes: Synergistic effects on the thermal-mechanical properties of epoxy nanocomposites. European Polymer J.2013. 49: 428. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2012.10.003

Othman R.N., Kinloch I.A., Wilkinson A.N. Synthesis and characterisation of silica-carbon nanotube hybrid microparticles and their effect on the electrical properties of poly(vinyl alcohol) composites. Carbon.2013. 60: 461. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.04.062

Choi S., Kim K., Nam J., Shim S.E. Synthesis of silica-coated graphite by enolization of poly vinyl pyrrolidone and its thermal and electrical conductivity in polymer composites. Carbon.2013. 60: 254. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.04.034

Chu Y.-H., Yamagishi M., Wang Z.-M., Kanoh H., Hirotsu T. Adsorption characteristics of nanoporous carbon-silica composites synthesized from graphite oxide by a mechanochemical intercalation method. J. Colloid Interface Sci.2007. 312: 186. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2007.04.016

Wang Z.-M., Shishibori K., Hoshinoo K., Kanoh H., Hirotsu T. Examination of synthesis conditions for graphite-derived nanoporous carbon-silica composites. Carbon.2006. 44: 2479. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.05.018

Kumagai S., Ishizawa H., Aoki Y., Toida Y. Molded micro- and mesoporous carbon/silica composite from rice husk and beet sugar. Chem. Eng. J. 2010. 156: 270. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.10.016

Tso C.Y., Chao C.Y.H. Activated carbon, silica-gel and calcium chloride composite adsorbents for energy efficient solar adsorption cooling and dehumidification systems. Int. J. Refrigeration. 2012. 35: 1626. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2012.05.007

Ye L., Ji Z.-H., Han W.-J., Hu J.-D., Zhao T. Synthesis and characterization of silica/carbon composite aerogels. J. Am. Ceramic Soc. 2010. 93: 1156. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03525.x

Furtado A.M.B., Wang Y., LeVan M.D. Carbon silica composites for sulfur dioxide and ammonia adsorption. Micropor. Mesopor. Mater. 2013. 165: 48. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.07.032

Glover T.G., LeVan M.D. Carbon-silica composite adsorbent: Sensitivity to synthesis conditions. Micropor. Mesopor. Mater. 2009. 118: 21. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2008.08.010

Valle-Vigón P., Sevilla M., Fuertes A.B. Carboxyl-functionalized mesoporous silica-carbon composites as highly efficient adsorbents in liquid phase. Micropor. Mesopor. Mater. 2013. 176: 78. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2013.03.049

Santa C.F., Jaber M., Guth J.L., Sierra L. Synthesis of texturally biphasic mesoporous carbon-silica composites and carbons. Micropor. Mesopor. Mater. 2013. 173: 53. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2013.01.033

Lua A.C., Shen Y. Preparation and characterization of polyimide-silica composite membranes and their derived carbon-silica composite membranes for gas separation. Chem. Eng. J. 2013. 220: 441. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.11.140

Sanchez F., Ince C. Microstructure and macroscopic properties of hybrid carbon nanofiber/silica fume cement composites. Compos. Sci. Technol. 2009. 69: 1310. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.03.006

Zhou X., Shi T. One-pot hydrothermal synthesis of a mesoporous SiO2-graphene hybrid with tunable surface area and pore size. Appl. Surf. Sci. 2012. 259: 566. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.06.113

Nandan D., Sreenivasulu P., Sivakumar Konathala L.N., Kumar M., Viswanadham N. Acid functionalized carbon-silica composite and its application for solketal production. Micropor. Mesopor. Mater. 2013. 179: 182. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2013.06.004

Xu H., Zhang H., Huang Y., Wang Y. Porous carbon/silica composite monoliths derived from resorcinol-formaldehyde/TEOS. J. Non-Crystal. Solid. 2010. 356: 971. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.02.001

Charmas B. Characterization of porosity and thermal properties of Ni-doped carbosils obtained by starch gelation. Adsorption Science & Technology. 2015. 33: 539. https://doi.org/10.1260/0263-6174.33.6-8.539

Meti P., Mahadik D.B., Lee K.-Y., Wang Q., Kanamori K., Gong Y.-D., Park H.-H. Overview of organic-inorganic hybrid silica aerogels: Progress and perspectives. Materials & Design. 2022. 222: 111091. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111091

Ounphikul B., Chantarasombat N., Hunt A.J., Ngernyen Y. A new low-cost carbon-silica composite adsorbent from a by-product of the sugar industry. Materials Today: Proc. 2022. 51: 1884. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.10.113

Gun'ko V.M., Matkovsky A.K., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J., Pasieczna-Patkowska S., Carbon-silica gel adsorbents: effects of matrix structure and carbon content on adsorption of polar and nonpolar adsorbates. J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2017, 128: 1683. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6097-7

Leboda R., Turov V.V., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J., Gun'ko V.M. Surface properties of mesoporous carbon-silica gel adsorbents. J. Colloid Interface Sci. 2000. 223: 112. https://doi.org/10.1006/jcis.1999.6629

Gun'ko V.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Rynkowski J. Silica gel modified due to pyrolysis of acetylacetone or metal (Ti, Cr, Co, Ni, Zn, Zr) acetylacetonates. J. Colloid Interface Sci. 2000. 231: 13. https://doi.org/10.1006/jcis.2000.7119

Gun'ko V.M., Leboda R., Turov V.V., Villiéras F., Skubiszewska-Zięba J., Chodorowski S., Marciniak M. Structural and energetic nonuniformities of pyrocarbon-mineral adsorbents. J. Colloid Interface Sci. 2001. 238: 340. https://doi.org/10.1006/jcis.2001.7512

Gun'ko V.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Turov V.V., Kowalczyk P. Structure of silica gel Si-60 and pyrocarbon/silica gel adsorbents thermally and hydrothermally treated. Langmuir. 2001. 17: 3148. https://doi.org/10.1021/la001094t

Gun'ko V.M., Leboda R., Pokrovskiy V.A., Charmas B., Turov V.V., Ryczkowski J. A study of the organic carbon content of silica gel carbonised by pyrolysis of alcohols. J. AnalyticalAppliedPyrolysis. 2001. 60: 233. https://doi.org/10.1016/S0165-2370(00)00204-7

Skubiszewska-Zięba J., Leboda R., Seledets O., Gun'ko V.M. Effect of preparation conditions of carbon-silica adsorbents based on mesoporous silica gel Si-100 and carbonised glucose on their pore structure. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. 231: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2003.07.002

Gun'ko V.M., Skubiszewska-Zięba J., Leboda R., Turov V.V. Impact of thermal and hydrothermal treatments on structural characteristics of silica Gel Si-40 and carbon/silica gel adsorbents. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2004. 235: 101. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2004.01.012

Seledets O., Gun'ko V.M., Skubiszewska-Zięba J., Leboda R., Musiatowicz M., Podkoscielny P., Dabrowski A. Structural and energetic heterogeneities of pyrocarbon/silica gel systems and their adsorption properties. Appl. Surf. Sci. 2005. 240: 222. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.06.141

Gun'ko V.M., Seledets O., Skubiszewska-Zięba J., Zarko V.I., Leboda R., Janusz W., Chibowski S. Phosphorus-containing carbon deposits on silica gel Si-100. Micropor. Mesopor. Mater. 2005.87: 133. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2005.06.044

BlitzJ.P., Gun'koV.M. (Eds.)Surface Chemistry in Biomedical and Environmental Science.NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. Vol. 228 (Dordrecht: Springer,2006).

Skubiszewska-Zięba J., Charmas B., Leboda R., Gun'ko V.M. Carbon-mineral adsorbents with a diatomaceous earth/perlite matrix modified by carbon deposits. Micropor. Mesopor. Mater. 2012. 156: 209. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.02.038

Tomaszewski W., Gun'ko V.M.,Skubiszewska-Zięba J., Charmas B., Leboda R. Influence of carbon deposits and subsequent silylation of silica gel on sorption efficiency of explosive nitramines. ColloidsSurf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2015. 468: 76. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.11.013

Tomaszewski W., Gun'ko V.M. Evaluation of adsorption and desorption steps in solid-phase extraction of explosives using carbon/silica gel nanocomposites. J. Separ. Sci. 2015. 38: 2488. https://doi.org/10.1002/jssc.201500171

Leboda R., Marciniak M., Gun'ko V.M., Grzegorczyk W., Malygin A.A.,Malkov A.A. Structure of carbonized mesoporous silica gel/ CVD-titania.Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2000.167: 275. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(99)00521-X

Gun'ko V.M., Leboda R., Marciniak M., Grzegorczyk W., Skubiszewska-Zięba J.,Malygin A.A.,Malkov A.A. CVD-titania/silica gel carbonized due to pyrolysis of cyclohexene.Langmuir. 2000.16: 3227. https://doi.org/10.1021/la990555b

Gun'ko V.M., Leboda R., Charmas B., Villieras F. Characterization of spatial and energetic structures of carbon-silica gels.Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2000.173: 159. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(00)00608-7

Gun'ko V.M., Villiéras F., Leboda R., Marciniak M., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J., Characterization of CVD-titania/silica gel by means of low pressure nitrogen adsorption.J. Colloid Interface Sci. 2000.230: 320. https://doi.org/10.1006/jcis.2000.7047

Leboda R., Gun'ko V.M., Skubiszewska-Zięba J., Gierak A., Oleszczuk P. Properties of thin polythylene glycol layers on the surface of silica gel and pyrocarbon/silica gel. Effect of topography and morphology of carbon deposit.Mater. Chem. Phys. 2001.70: 25. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00474-0

Gun'ko V.M., Leboda R., Turov V.V., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J. Structural and energetic heterogeneities of hybrid carbon-mineral adsorbents. Appl. Surf. Sci. 2002. 191: 286. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(02)00220-9

Gun'ko V.M., Turov V.V., Skubiszewska-Zięba J., Charmas B., Leboda R. Structural and adsorptive characteristics of pyrocabon/silica gel Si-60.Adsorption. 2004.10: 5. https://doi.org/10.1023/B:ADSO.0000024031.35721.c7

Gun'ko V.M. Confined space effects on various liquids interacting with fumed nanooxides and porous silicas.Chem. Phys. Technol. Surf. 2022. 13: 47. https://doi.org/10.15407/hftp13.01.047

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

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

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: 163. https://doi.org/10.15407/hftp11.02.163

Gun'ko V.M. Various methods to describe the morphological and textural characteristics of various materials. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2018. 9: 317. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.317

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

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

Опубліковано
2022-11-30
Як цитувати
Гунько, В. М., Скубішевська-Земба, Я., & Хармас, Б. (2022). Гібридні композити синтезовані при карбонізації ацетилацетону та ацетилацетонатів металів на поверхні силікагелю. Поверхня, (14(29), 159-175. https://doi.org/10.15407/Surface.2022.14.159
Розділ
Наноматеріали і нанотехнології