ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Кремнеземи типу МСМ‑41 з реакційноздатними функціональними групами широко використовуються як субстрати у великому розмаїтті напрямків пост-синтетичного модифікування. Тому дуже важливим є варіювання їхніх структурних характеристик у процесі темплатного золь‑гель синтезу чи пост-синтетичної обробки. Метою даної роботи було визначення впливу темплатного агента на структуру матеріалів типу МСМ‑41 з поверхневими силанольними та 3‑хлоропропільними групами. Для цього було здійснено темплатну золь‑гель конденсацію структуроутворюючих силанів (тетраетилортосилікату та 3‑хлоропропілтриетоксисилану) у присутності децилтриметиламоній броміду як структуруючого агента. Було досліджено здатність циклічного олігосахариду (β-циклодекстрину) взаємодіяти з міцелами поверхнево‑активної речовини в процесі гідротермального золь‑гель синтезу та впливати на формування мезопористої структури кремнеземних матеріалів. Контроль повноти вилучення темплату з пор у результаті екстракції та підтвердження введення 3‑хлоропропільних груп у поверхневий шар синтезованих кремнеземів здійснювали з використанням ІЧ спектроскопії. Впорядкування мезорозмірних пор та структурні параметри оцінювали за результатами рентгенівської дифракції та низькотемпературної адсорбції‑десорбції азоту. Встановлено, що β-циклодекстрин як компонент гібридного темплату має позитивний вплив на пористу структуру 3‑хлоропропілфункціоналізованого кремнезему типу МСМ‑41, спричиняючи зростання питомої поверхні, що супроводжується збереженням впорядкування пор. Крім того, обидві складові гібридного темплату, йонна поверхнево‑активна речовина та олігосахарид, діють як пороутворювачі впродовж золь‑гель конденсації структуроутворюючих силанів, що дає змогу одержати мікро-мезопористі кремнеземні матеріали. Запропонований підхід може бути корисним у синтезі кремнеземів типу МСМ‑41 з поверхневими лінкерними групами та контрольованими структурними характеристиками (розмір пор, геометрія та впорядкування), які мають великі перспективи як субстрати в дизайні складних матеріалів.

1. Kresge C.T., Leonowicz M.E., Roth W.J., Vartuli J.C., Beck J.S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature. 1992. 359: 710. https://doi.org/10.1038/359710a0

2. Costa J.A., Jesus R.A., Santos D.O., Mano J.F., Romao L.P., Paranhos C.M. Recent progresses in the adsorption of organic, inorganic, and gas compounds by MCM-41-based mesoporous materials. Microporous Mesoporous Mater. 2020. 291: 109698. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.109698

3. Martinez-Edo G., Balmori A., Ponton I., Marti del Rio A., Sanchez-Garcia D. Functionalized ordered mesoporous silicas (MCM-41): Synthesis and applications in catalysis. Catalysts. 2018. 8(12): 617. https://doi.org/10.3390/catal8120617

4. Alahmad S. Modification of mesoporous silica MCM-41 and its applications- A review. Orient. J. Chem. 2012. 28(1): 1. https://doi.org/10.13005/ojc/280101

5. Baeza A., Ruiz-Molina D., Vallet-Regi M. Recent advances in porous nanoparticles for drug delivery in antitumoral applications: inorganic nanoparticles and nanoscale metal-organic frameworks. Expert Opin. Drug Deliv. 2017. 14(6): 783. https://doi.org/10.1080/17425247.2016.1229298

6. Beck J.S., Vartuli J.C., Roth W.J., Leonowicz M.E., Kresge C.T., Schmitt K.D., Chu C.T.W., Olson D.H., Sheppard E.W. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. J. Am. Chem. Soc. 1992. 114(27): 10834. https://doi.org/10.1021/ja00053a020

7. Corma A., Kan Q.,Navarro M.T., Perez-Pariente J., Rey F. Synthesis of MCM-41 with different pore diameters without addition of auxiliary organics. Chem. Mater. 1997. 9(10): 2123. https://doi.org/10.1021/cm970203v

8. Van Der Voort P., Mathieu M., Mees F., Vansant E.F. Synthesis of high-quality MCM-48 and MCM-41 by means of the GEMINI surfactant method. J. Phys. Chem. B. 1998. 102(44): 8847. https://doi.org/10.1021/jp982653w

9. Jana S.K., Nishida R., Shindo K., Kugita T., Namba S. Pore size control of mesoporous molecular sieves using different organic auxiliary chemicals. Microporous Mesoporous Mater. 2004. 68(1-3): 133. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2003.12.010

10. Huo Q., Margolese D.I., Stucky G.D. Surfactant control of phases in the synthesis of mesoporous silica-based materials. Chem. Mater. 1996. 8(5): 1147. https://doi.org/10.1021/cm960137h

11. Sayari A., Liu P. Characterization of large-pore MCM-41 molecular sieves obtained via hydrothermal restructuring. Chem. Mater. 1997. 9(11): 2499. https://doi.org/10.1021/cm970128o

12. ALOthman Z.A. A review: fundamental aspects of silicate mesoporous materials. Materials. 2012. 5(12): 2874. https://doi.org/10.3390/ma5122874

13. Alahmadi S. Modification of mesoporous silica MCM-41 and its applications - A review. Orient. J. Chem. 2012. 28(1): 1. https://doi.org/10.13005/ojc/280101

14. Yoshitake H. Highly-controlled synthesis of organic layers on mesoporous silica: their structure and application to toxic ion adsorptions. New J. Chem. 2005. 29(9): 1107. https://doi.org/10.1039/b504957a

15. Maity N., Basu S., Mapa M., Rajamohanan P.R., Ganapathy S., Gopinath C.S., Bhaduri S., Lahiri G.K. Effect of spacer groups on the performance of MCM-41-supported platinum cluster-derived hydrogenation catalysts. J. Catal. 2006. 242(2): 332. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.06.016

16. Idris S.A., Davidson C.M., McManamon C., Morris M.A., Anderson P., Gibson L.T. Large pore diameter MCM-41 and its application for lead removal from aqueous media. J. Hazard. Mater. 2011. 185(2-3): 898. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.09.105

17. Roik N.V., Belyakova L.O. Sol-gel synthesis of MCM-41 silicas and selective vapor-phase modification of their surface. J. Solid State Chem. 2013. 207: 194. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.09.027

18. Custodio dos Santos T., Bourrelly S., Llewellyn P.L., Walkimar de M. Carneiro J., Ronconi C.M. Adsorption of CO2 on amine-functionalised MCM-41: experimental and theoretical studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. 17(16): 11095. https://doi.org/10.1039/C5CP00581G

19. Bodaghifard M.A., Zendehdel M., Hamidinasab M., Ahadi N., Zandi R. Functionalized mesoporous MCM-41 as a hybrid catalyst for the efficient synthesis of chromene and mono/bis phthalazine-trione derivatives. Polycyclic Aromatic Compd. 2023. 43(1): 242. https://doi.org/10.1080/10406638.2021.2014533

20. Udayakumar S., Son Y.S., Lee M.K., Park S.W., Park D.W. The synthesis of chloropropylated MCM-41 through co-condensation technique: The path finding process. Appl. Catal. A. 2008. 347(2): 192. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.06.009

21. Wei F., Yang J.Y., Gao L., Gu F.N., Zhu J.H. Capturing nitrosamines in tobacco-extract solution by hydrophobic mesoporous silica. J. Hazard. Mater. 2009. 172(2-3): 1482. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.08.016

22. Xu Y.Q., Cao Y., Xia Z.N. Microwave radiation one-pot synthesis of chloropropyl-functionalized mesoporous MCM-41. J. Cent. South Univ. 2012. 19: 2130. https://doi.org/10.1007/s11771-012-1255-3

23. Lin H.P., Cheng Y.-R., Lin C.-R., Li F.-Y., Chen C.-L., Wong S.-T., Cheng S., Liu S.-B., Wan B.-Z., Mou C.-Y., Tang C.-Y., Lin C.-Y. The synthesis and application of the mesoporous molecular sieves MCM-41 - A Review. JCCS. 1999. 46(3): 495. https://doi.org/10.1002/jccs.199900067

24. Beck J.S., Vartuli J.C., Roth W.J., Leonowicz M.E., Kresge C.T., Schmitt K.D., Chu C.T.W., Olson D.H., Sheppard E.W., McCullen S.B., Higgins J.B., Schlenker J.L. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. J. Am. Chem. Soc. 1992. 114(27): 10834. https://doi.org/10.1021/ja00053a020

25. Namba S., Mochizuki A., Kito M. Preparation of highly ordered MCM-41 with docosyltrimethylammonium chloride (C22TMAC1) as a template and fine control of its pore size. Stud. Surf. Sci. Catal. 1998. 117: 257. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(98)81000-8

26. Ulagappan N., Rao C.N.R. Evidence for supramolecular organization of alkane and surfactant molecules in the process of forming mesoporous silica. Chem. Commun. 1996. 24: 2759. https://doi.org/10.1039/cc9960002759

27. Blin J.L., Su B.L. Tailoring pore size of ordered mesoporous silicas using one or two organic auxiliaries as expanders. Langmuir. 2002. 18(13): 5303. https://doi.org/10.1021/la020042w

28. Zhang H., Li X. Novel mesoporous silica materials with hierarchically ordered nanochannel: synthesis with the assistance of straight-chain alkanes and application. J. Chem. 2016. 7: 1. https://doi.org/10.1155/2016/5146573

29. Roik N.V., Dziazko M.O., Trofymchuk I.M., Oranska O.I. Role of amphiphilic organic additives in design of silica materials with ordered mesoporous structure. J. Porous Mater. 2022. 29: 317. https://doi.org/10.1007/s10934-021-01167-0

30. Junquera E., Aicart E., Tardajos G. Inclusional complexes of decyltrimethylammonium bromide and β-cyclodextrin in water. J. Phys. Chem. 1992. 96(11): 4533. https://doi.org/10.1021/j100190a074

31. WanYunus W.M.Z., Taylor J., Bloor D.M., Hall D.G., Wyn Jones E. Electrochemlcal measurements on the binding of sodium dodecyl sulfate and dodecyltrimethylammonium bromide with α- and β-cyciodextrins. J. Phys. Chem. 1992. 96: 8979. https://doi.org/10.1021/j100201a052

32. JiangY. B., WangX. J. Direct evidence for β-cyclodextrin induced aggregation of ionic surfactant below critical micelle concentration. Appl. Spectrosc. 1994. 48(11): 1428. https://doi.org/10.1366/0003702944028155

33. Rafati A.A., Bagheri A., Iloukhani H., Zarinehzad M. Study of inclusion complex formation between a homologous series of n-alkyltrimethylammonium bromides and β-cyclodextrin, using conductometric technique. J. Mol. Liq. 2005. 116(1): 37. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2004.05.003

34. Tsianou M., Fajalia A.I. Cyclodextrins and surfactants in aqueous solution above the critical micelle concentration: where are the cyclodextrins located? Langmuir. 2014. 30(46): 13754. https://doi.org/10.1021/la5013999

35. Polarz S., Smarsly B., Bronstein L., Antonietti M. From cyclodextrin assemblies to porous materials by silica templating. Ang. Chem. Int. Ed. 2001. 40(23): 4417. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20011203)40:23<4417::AID-ANIE4417>3.0.CO;2-P

36. Yim J.-H., Lyu Y.-Y., Jeong H.-D., Song S.A., Hwang I.-S., Hyeon-Lee J., Mah S.K., Chang S., Park J.-G., Hu Y.F., Sun J.N., Gidley D.W. The preparation and characterization of small mesopores in siloxane-based materials that use cyclodextrins as templates. Adv. Funct. Mater. 2003. 13(5): 382. https://doi.org/10.1002/adfm.200304287

37. Nan Z., Xue X., Hou W., Yan X., Han S. Fabrication of MCM-41 mesoporous silica through the self-assembly supermolecule of β-CD and CTAB. J. Solid State Chem. 2007. 180(2): 780. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2006.11.011

38. Jeon J.-K., Park Y.-K., Yim J.-H. Cyclodextrin-modified MCM-41 for selective double bond migration. Res. Chem. Intermed. 2010. 36: 661. https://doi.org/10.1007/s11164-010-0202-x

39. Trotta F., Zanetti M., Camino G. Thermal degradation of cyclodextrins. Polym. Degrad. Stab. 2000. 69(3): 373. https://doi.org/10.1016/S0141-3910(00)00084-7

40. Trofymchuk I.M, Roik N., Belyakova L. Structural variety and adsorptive properties of mesoporous silicas with immobilized oligosaccharide groups. Nanoscale Res. Lett. 2017. 12: 1. https://doi.org/10.1186/s11671-017-2072-2

41. Bragg W.L. The diffraction of short electromagnetic waves by a crystal. P. Camb. Philos. Soc. 1913. 17: 43.

42. Fenelonov V.B., Romannikov V.N., Derevyankin A.Yu. Mesopore size and surface area calculations for hexagonal mesophases (types MCM-41, FSM-16, etc.) using low-angle XRD and adsorption data. Microporous Mesoporous Mater. 1999. 28(1): 57. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(98)00280-7

43. Kruk M., Jaroniec M., Sayari A. Adsorption study of surface and structural properties of MCM-41 materials of different pore sizes. J. Phys. Chem. B 1997. 101(4): 583. https://doi.org/10.1021/jp962000k

44. Thommes M., Smarsly B., Groenewolt M., Ravikovitch P.I., Neimark A.V. Adsorption hysteresis of nitrogen and argon in pore networks and characterization of novel micro- and mesoporous silicas. Langmuir. 2006. 22(2): 756. https://doi.org/10.1021/la051686h

45. Van Der Voort P., Ravikovitch P.I., De Jong K.P., Benjelloun M., Van Bavel E., Janssen A.H., Neimark A.V., Weckhuysen B.M., Vansant E.F. A new templated ordered structure with combined micro- and mesopores and internal silica nanocapsules. J. Phys. Chem. B. 2002. 106(23): 5873. https://doi.org/10.1021/jp025642i

46. Landers J., Gor G.Yu., Neimark A.V. Density functional theory methods for characterization of porous materials. Colloid. .Surf. A. 2013. 437: 3. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.01.007

47. Lai W., Yang S., Jiang Y., Zhao F., Li Z., Zaman B., Fayaz M., Li X., Chen Y. Artefact peaks of pore size distributions caused by unclosed sorption isotherm and tensile strength effect. Adsorption. 2020. 26: 633. https://doi.org/10.1007/s10450-020-00228-1