Особливості пористості та пакування нано- та мікро-частинок вуглецевих та кремнеземних адсорбентів
Анотація
Порівняльна характеристика морфології частинок і текстури різних діоксидів кремнію (пірогеневі діоксиди кремнію, силікагелі, впорядковані мезопористі діоксиди кремнію) і вуглецевих матеріалів (кабонізат та активоване вугілля, AC) становить інтерес як з теоретичної, так і з практичної точок зору, оскільки це дозволяє краще зрозуміти переваги та недоліки різних адсорбентів при застосуванні для різних адсорбатів у різних дисперсійних середовищах. Повна характеристика адсорбентів потребує застосування певного набору методів, який аналізується в цій статті. Показано, що основна відмінність у текстурних характеристиках кремнеземних і вуглецевих адсорбентів зумовлена відсутністю (кремнеземи) або наявністю (вуглеці) нанопор у наночастинках (НЧ). Великий внесок цих пор у сильно активоване вугілля забезпечує значення питомої поверхні на порядок більші, ніж у нанокремнеземів. Незважаючи на високий ступінь активації AC, внесок закритих пор або пор, недоступних для молекул азоту, залишається відносно великим на відміну від пірогенного кремнезему A-300, що складається з наночастинок, синтезованих у полум’ї при вищій температурі (~80% температури плавлення, Tm, для аморфного кремнезему), ніж температура активації вуглецю (~25% Tm для вуглецю). Таким чином, пори, недоступні для молекул азоту в пірогенному кремнеземі, можна віднести до вузьких порожнеч навколо контактної зони між сусідніми наночастинками в їхніх агрегатах, але для AC існують як закриті пори, так і відкриті пори, недоступні для молекул азоту. Для повної характеристики морфології та текстури різних адсорбентів може використовуватися набір методів, таких як трансмісійна і скануюча електронна мікроскопія, зондова адсорбція (азот, аргон), малокутове розсіювання рентгенівських променів (МКРРП)та рентгенофазовий аналіз (РФА),які треба використовувати з відповідним програмним забезпеченням. Останнє особливо важливо для аналізу непрямих даних (наприклад, адсорбція, МКРРП, РФА).
Посилання
1. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. Sixth edition. (New York: Wiley, 1997).
2. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. (London: Academic Press, 1982).
3. Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Physisorption 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
4. Gregg S.J., Sing K.S.W., Stoeckli H.F. (editors). Characterization of Porous Solids. (London: Soc. Chem. Industry, 1979).
5. 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
6. ShegokarR.,Souto E.B. (editors), Characterization of Micro and Nanoparticles for Biomedical Applications (Micro and Nano Technologies). (Elsevier, 2024. ISBN: 9780323961387).
7. McEnaney B., Mays T.J., Rodriguez-Reinoso F. (editors). Fundamental Aspects of Active Carbons. Special issue. Carbon 1998. 36(10).
8. Cooney D.O. Activated Charcoal in Medical Applications. (New York: Marcel Dekker, 1995). https://doi.org/10.1201/9780367803964
9. 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).
10. 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
11. Hashim A.A. (editor). Smart Nanoparticles Technology. (Rijeka, Croatia: InTech, 2012). https://doi.org/10.5772/1969
12. Iler R.K. The Chemistry of Silica. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. (Chichester: Wiley, 1979).
13. Bergna H.E., Roberts W.O. (editors). Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006). https://doi.org/10.1201/9781420028706
14. Legrand A.P. (editor). The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).
15. Basic characteristics of Aerosil fumed silica (4th ed.). Tech. Bull. Fine Particles 11. (Hanau: Evonik Industries, 2014).
16. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202
17. Gun'ko V.M., 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.http://dx.doi.org/10.1016/j.cis.2016.06.003 https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.06.003
18. Pietsch W. Agglomeration in Industry. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005).
19. V.M. Gun'ko, V.V. Turov, O.V. Goncharuk, E.M. Pakhlov, O.K. Matkovsky, Interfacial phenomena at a surface of individual and complex fumed nanooxides.Surface.2019.11(26): 3. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.003
20. Gun'ko V.M. Composite materials: textural characteristics. Applied Surface Science.2014. 307: 444. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.055
21. Gun'ko V.M., Morphological and textural features of various materials composed of porous or nonporous nanoparticles differently packed in secondary structures.Applied Surface Science.2021. 569:151117. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151117
22. 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
23. 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
24. 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
25. 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
26. 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
27. 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. https://doi.org/10.15407/hftp11.02.163
28. Gun'ko V.M. Features of the morphology and texture of silica and carbon adsorbents.Surface. 2021.13(28): 127. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.127
29. Gun'koV.M.,Turov V.V. Particulate morphology and textural characteristics of nanosilica hydro-compacted at various wetting degree.Chemistry, Physics and Technology of Surface.2023. 14: 3. https://doi.org/10.15407/hftp14.01.003
30. 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
31. Tennison S.R., Kozynchenko O.P., Strelko V.V., Blackburn A.J. Porous carbons. US patent 2004024074A1, 2004.
32. 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
33. Sakurai S. SAXS evaluation of size distribution for nanoparticles. Chapter 5 (http://dx.doi.org/10.5772/105981). in A.E. Ares (editor). X-rayScattering. (DOI: 10.5772/65049). (RijekaCroatia: InTech, 2017, pp. 107-134).
34. Brumberger H. (editor). Small Angle X-ray Scattering. (New York: Gordon&Breach, 1965).
35. 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
36. 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
37. 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
38. Cullity B.D., Stock S.R. Elements of X-Ray Diffraction. Third Edition. (New York: Prentice-Hall Inc., 2001).
39. Guinier A. X-Ray Diffraction. (San Francisco: WH Freeman, 1963).
40. de Avillez R.R., Abrantes F.G., Letichevsky S. On the intrinsic limits of the convolution method to obtain thecrystallite size distribution from nanopowders diffraction. Mater. Res. 2018. 21(3): e20170980. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2017-0980
41. Popović S., Skoko Ž. X-ray diffraction broadening analysis. Maced. J. Chem. Chem. Eng. 2015. 34(1): 39. https://doi.org/10.20450/mjcce.2015.642
42. Gun'ko V.M., Oranska O.I., Paientko V.V., SulymI.Ya. Particulate morphology of nanostructured materials. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2020. 11: 368. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.368
43. A.V. Neimark, P.I. Ravikovitch, Capillary condensation in MMS and pore structure characterization, Micropor.Mesopor. Mater. 2001.44/45: 697. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(01)00251-7
44. 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
45. 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
46. 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
47. 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
48. Gun'ko V.M., Turov V.V., Turov A.V., Zarko V.I., Gerda V.I., Yanishpolskii V.V., Berezovska I.S., Tertykh V.A. Behaviour of pure water and water mixture with benzene or chloroform adsorbed onto ordered mesoporous silicas.Central European Journal of Chemistry. 2007, 5: 420. https://doi.org/10.2478/s11532-007-0010-3
49. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at the Interfaces. (Kyiv: Naukova Dumka, 2009).
