Хімія, фізика та технологія поверхні, 2018, 9 (4), 317-340.

Різні методи для опису морфологічних та текстурних характеристик різних матеріалів



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp09.04.317

V. M. Gun'ko

Анотація


Метою роботи було порівняння різних методів опису текстурних характеристик різних матеріалів. Кілька шляхів може бути обрано для детального опису морфології та текстури різних матеріалів: (i) адсорбція-десорбція низькомолекулярних сполук (N2, CO2, Ar, C6H6, H2O тощо) в газовій (паровій) фазі з підвищенням-зменшенням тиску, що дає адс-дес ізотерми, які аналізують з використанням специфічних програм; (ii) адсорбція низькомолекулярних сполук з рідкого середовища при підвищенні концентрації; (iii) малокутове розсіяння рентгенівських променів (SAXS) чи малокутове розсіяння нейтронів (SANS); (iv) кількісний аналіз мікрозображень TEM, СEM, КЛСМ тощо; (v) термопорометрія на основі ДСК та ТГ вимірювань при зниженні-підвищенні температури; (vi) кріопорометрія на основі ЯМР спектроскопії при зміні температури; (vii) релаксометрія на основі ЯМР та термостимульованої деполяризації. Є кілька причин для паралельного використання вказаних методів. Наприклад, матеріал, який в нативному стані є сильно гідратованим, може суттєво змінити текстуру при дегідратації; тому треба вивчати його характеристики в обох станах. Різні адсорбати можуть проникати у пори різних розмірів, що треба враховувати при аналізі різних даних. Є доступні та недоступні (закриті чи дуже вузькі), проте SAXS дає повну інформацію про усі пори на відміну від адсорбційних методів. Таким чином, чим більша кількість різних методів використовується, тим більш повна морфологічна та текстурна характеризація забезпечується, що було показано в даній роботі.


Ключові слова


текстурні характеристики; адсорбція; кріопорометрія; релаксометрія; термопорометрія; SAXS; FTIR

Повний текст:

PDF (English)

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

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

5. Bergna H.E. (Ed.) Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: Taylor & Francis LLC, 2005).

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

7. Hastie J.W. (Ed.) Materials Chemistry at High Temperatures. V. 1, Characterization, V. 2, Processing and Performance. (Clifton, NJ: Humana Press, 1990).

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

9. Kimmich R. NMR Tomography, Diffusometry, Relaxometry. (Heidelberg: Springer, 1997).

10. Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001

11. 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

12. Gun'ko V.M. Composite materials: textural characteristics. Appl. Surf. Sci. 2014. 307: 444. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.055

13. Gun'ko V.M., Mikhalovsky S.V. Evaluation of slitlike porosity of carbon adsorbents. Carbon. 2004. 42(4): 843. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.01.059

14. 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(21): 10727. https://doi.org/10.1021/jp201835r

15. Gun'ko V.M., Savina I.N., Mikhalovsky S.V. Cryogels: Morphological, structural and adsorption characterization. Adv. Colloid Interface Sci. 2013. 187–188: 1. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.11.001

16. Gun'ko V.M., Goncharuk O.V., Goworek J. Evaporation of polar and nonpolar liquids from silica gels and fumed silica. Colloids Surf. A. 2015. 474: 52. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.03.007

17. Gun'ko V.M. Interfacial phenomena: effects of confined space and structure of adsorbents on the behavior of polar and nonpolar adsorbates at low temperatures. Current Physical Chemistry. 2015. 5(2): 137. https://doi.org/10.2174/187794680502160111093413

18. Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Infrared spectroscopy as a tool for textural and structural characterization of individual and complex fumed oxides. Vib. Spectrosc. 2017. 88: 56. https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2016.11.003

19. Pujari P.K., Sen D., Amarendra G., Abhaya S., Pandey A.K., Dutta D., Mazumder S. Study of pore structure in grafted polymer membranes using slow positron beam and small-angle X-ray scattering techniques. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2007. 254(2): 278.

20. Dieudonné Ph., Hafidi A.A., Delord P., Phalippou J. Transformation of nanostructure of silica gels during drying. J. Non-Cryst. Solids. 2000. 262(1–3): 155. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00687-0

21. 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(17): 8681. https://doi.org/10.1021/jp055992f

22. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2009. 54(2): 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001

23. Aksnes D.W., Forl K., Kimtys L. Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3: 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n

24. Muniz W.B., Ramos F.M., de Campos Velho H.F. Entropy- and Tikhonov-based regularization techniques applied to the backwards heat equation. Comput. Math. Appl. 2000. 40(8–9): 1071. https://doi.org/10.1016/S0898-1221(00)85017-8

25. Provencher S.W. A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations. Comput. Phys. Commun. 1982. 27(3): 213. https://doi.org/10.1016/0010-4655(82)90173-4

26. 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. Centr. Eur. J. Chem. 2007. 5(2): 420.

27. Gun'ko V.M., Krupska T.V., Andriyko L.S., KlymenkoN.Yu., Siora I.V., Novikova O.A., Marynin A.I., Ukrainets A.I., Charmas B., Shekhunova S.B., Turov V.V. Bonding of doxorubicin to nanosilica and human serum albumin in various media. J. Colloid Interface Sci. 2018. 513: 809. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.12.001

28. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water bound in hydrophilic components of complex systems. Colloids Surf. A. 2018. 552: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017

29. 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(1–2): 1. https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.11.001

30. Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Turova A.A. Regularities in the behaviour of water confined in adsorbents and bioobjects studied by 1H NMR spectroscopy and TSDC methods at low temperatures. Colloids Surf. A. 2009. 336: 147. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2008.11.043

31. Hay J.N., Laity P.R. Observations of water migration during thermoporometry studies of cellulose films. Polymer. 2000. 41(16): 6171. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00828-9

32. Landry M.R. Thermoporometry by differential scanning calorimetry: experimental considerations and applications. Thermochim. Acta. 2005. 433(1–2): 27. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.02.015

33. Weber J., Bergström L. Mesoporous hydrogels: revealing reversible porosity by cryoporometry, X-ray scattering, and gas adsorption. Langmuir. 2010. 26(12): 10158. https://doi.org/10.1021/la100290j

34. Rohman G., Lauprêtre F., Boileau S., Guérin P., Grande D. Poly(D,L-lactide)/poly(methyl methacrylate) interpenetrating polymer networks: synthesis, characterization, and use as precursors to porous polymeric materials. Polymer. 2007. 48(24): 7017. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.09.044

35. Turov V.V., Gun'ko V.M., Zarko V.I., Goncharuk O.V., Krupska T.V., Turov A.V., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J. Interfacial behavior of n-decane bound to weakly hydrated silica gel and nanosilica over a broad temperature range. Langmuir. 2013. 29(13): 4303. https://doi.org/10.1021/la400392h

36. Goworek J., Stefaniak W., Zgrajka W. Measuring porosity of polymeric adsorbents by temperature programmed desorption of liquids. Mater. Chem. Phys. 1999. 59(2): 149. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(99)00017-6

37. Goworek J., Stefaniak W., Prudaczuk M. The influence of polarity of liquids on the parameters characterizing the porosity of silica gels estimated by thermogravimetric analysis. Thermochim. Acta. 2001. 379(1): 117. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(01)00610-4

38. 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(9): 3146. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.10.009

39. 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 macroporosity. Adsorption. 2011. 17(3): 453. https://doi.org/10.1007/s10450-010-9282-6

40. Zheng Y., Gun'ko V.M., Howell C.A., Sandeman S.R., Phillips G.J., Kozynchenko O.P., Tennison S.R., Ivanov A.E., Mikhalovsky S.V. Composites with macroporous poly(vinyl alcohol) cryogels with attached activated carbon microparticles with controlled accessibility of a surface. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2012. 4(11): 5936. https://doi.org/10.1021/am301577c

41. Sandeman S.R., Gun'ko V.M., Bakalinska O.M., Howell C.A., Zheng Y., Kartel M.T., Phillips G.J., Mikhalovsky S.V. Adsorption of anionic and cationic dyes by activated carbons, PVA hydrogels and PVA/AC composite. J. Colloid Interface Sci. 2011. 358(2): 582. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.02.031

42. Turov V.V., Turova A.A., Goncharuk E.V., Gun'ko V.M. Adsorption of methane with the presence of water on oxide, polymer and carbon adsorbents studied using 1H NMR spectroscopy at low temperatures. Appl. Surf. Sci. 2008. 255(5): 3310. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.09.050

43. Tóth A., Voitko K.V., Bakalinska O.N., Prykhod'ko G.P., Bertóti I., Martínez-Alonso A., Tascón J.M.D., Gun'ko V.M., László K. Morphology and adsorption activity of chemically modified MWCNT probed by nitrogen, n-propane and water vapor. Carbon. 2012. 50(2): 577. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.09.016

44. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

45. 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. Appl. Surf. Sci. 2005. 252(3): 612. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.02.075

46. Goliszek M., Podkościelna B., Fila K., Sevastyanova O., Aminzadeh S., Gun'ko V.M. Synthesis and structure characterization of polymeric nanoporous microspheres with lignin. Cellulose. 2018. 25(10): 5843. https://doi.org/10.1007/s10570-018-2009-7




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp09.04.317

Copyright (©) 2018 V. M. Gun'ko