ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

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

Актуальність отримання нових зразків нанорозмірних матеріалів та дослідження способів керування цими процесами підтримується постійним прогресом в галузях нанотехнологій, напівпровідників, біомедицини, очищення забруднених вод тощо. Система Fe⁰(Сталь3)-H₂O-O₂, що вважається перспективною для застосування у вказаних галузях, дозволяє як отримувати ряд нанорозмірних фаз ферум-оксигенвмісних сполук (ФОС), зокрема магнетиту, кобальтвмісної феришпінелі, ферум(III) гідроксидоксидів, так і керувати цими процесами за рахунок зміни фізико-хімічних умов перебігу процесу. Враховуючи перманентну зміну у вказаній системі складу фаз на металевій поверхні, застосовано метод рентгенофазового аналізу (РФА) із використанням створеного додаткового пристрою до гоніометричної приставки ГП-13 для дослідження in situ процесів утворення ФОС на поверхні сталевого диску в системі Fe⁰(Ст3)-H₂O-O₂. Це дозволило дослідити механізми та оптимальні умови формування окремих ультрадисперсних та нанорозмірних фаз ФОС в ряді фізико-хімічних умов. Шляхом розрахунку площі під характерними рефлексами на кривих дифракції in situ встановлено кількісні співвідношення ФОС, утворених за певних фізико-хімічних умов, та розраховано середній розмір кристалітів за формулою Шерера, що дало додаткову інформацію для аналізу механізмів формування ФОС. Поряд з цим, використано метод скануючої електронної мікроскопії та метод РФА без додаткового пристрою in situ. З аналізу отриманих кінетичних закономірностей зроблено висновки про формування ФОС шляхом утворення гідроксикарбонатного та гідроксисульфатного шаруватих подвійних гідроксидів феруму I та II типу з наступною їх трансформацією до кінцевих нанорозмірних фаз магнетиту, кобальтвмісної феришпінелі та ферум(III) гідроксид оксидів. Утворення та накопичення фази ферум(ІІ) гідроксиду методом РФА in situ зафіксовано не було, проте в системі Fe⁰(Ст3)-H₂O-O₂ не виключеним є формування шаруватих подвійних гідроксидів феруму на основі його моношарів. Показано перевагу карбонат-аніонів перед хлорид-аніонами в процесах формування шаруватих подвійних гідроксидів феруму.

1. Doroshenko A.M., Chekman I.S. Magnetic nanoparticles: properties and biomedical applications. Ukr. Med. J. 2014. 4(102): 10. [in Ukrainian].

2. Lavrynenko O.M., Netreba S.V., Prokopenko V.A., Korol Ya.D. The influence of the pH value and the cation composition of dispersion medium on the formation of iron-oxygen structures on steel surface. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2011. 2(1): 93.

3. Lavrynenko O.M., Korol Ya.D., Netreba S.V., Prokopenko V.A. Kinetic regularity of the formation of Fe (II)-Fe (III) LDH structures (Green Rust) on the steel surface in presence of the FeSO4 and Fe2(SO4)3 water solutions. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2010. 1(3): 338.

4. Lavrynenko O.M., Starchenko V.Yu., Netreba S.V., Prokopenko V.A. Effect of temperature on kinetic regularities of forming nanosized particles on steel surface contacting with aqueous dispersion medium. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2011. 2(4): 393.

5. Lurie Yu.Yu. Analytical chemistry of industrial wastewater. (Moscow: Khimiya, 1984). [in Russian].

6. Lurie Yu.Yu. Unified methods of water analysis. (Moscow: Khimiya, 1973). [in Russian].

7. Powder Diffraction File. International Centre for Diffraction Data. (Swartmore, Pensilvania, U.S.A, 1977).

8. Christiansen B.C., Balic-Zunic T., Dideriksen K., Stipp S.L.S. Identification of green rust in groundwater. In: Goldschmidt Conference Abstracts. (Davos, Switzerland, 2009). A 223. https://doi.org/10.1021/es8011047

9. Hansen H.C.B., Guldberg S., Erbs M., Koch C.B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts - effects of interlayer anion and Fe(II):Fe(III) ratio. Appl. Clay Sci. 2001. 18(1-2): 81. https://doi.org/10.1016/S0169-1317(00)00029-6

10. Lavrynenko O.M. Ph. D (Chem). (Kyiv, 2002). [in Ukrainian].

11. Dorofeev G.A., Streletskyi A.N., Povstuhar I.V., Protasov A.V., Elsukov E.P. Determination of nanoparticle sizes by X-ray diffraction methods. Colloid J. 2012. 74(6): 710. [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S1061933X12060051

12. Prokopenko V.A., Netreba S.V., Tsyganovych O.A., Panko A.V., Ageyenko I.O. Colloid-chemical mechanisms of the formation of ultra- and nanosized iron oxide/hydroxide phases obtained in the Fe0(St3)-H2O-O2 system and their electrokinetic properties. I. Preparation and formation mechanisms of ultradisperse phases of [Fe(II)-Fe(III)] LDH, magnetite, cobalt ferrous ferrite, lepidocrocite, and goethite in the Fe0(St3)-H2O-O2 system. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2023. 21(4): 739. [in Ukrainian].

13. Zhang Y., Charlet L., Schindler P.W. Adsorption of protons, Fe(II) and Al(III) on lepidocrocite (γ-FeOOH). Colloids Surf. 1992. 63(3-4): 259. https://doi.org/10.1016/0166-6622(92)80247-Y

14. Jang J.-H., Mathur R., Liermann L.J., Ruebush S., Brantley S. L. An iron isotope signature related to electron transfer between aqueous ferrous iron and goethite. Chem. Geol. 2008. 250(1-4): 40. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2008.02.002

15. Pineau S., Sabot R., Quillet L. Formation of Fe(II-III) hydroxysulphate green rust during marine corrosion of steel associsted to molecular detection of dissimilatory sulphite-reductase. Corros. Sci. 2008. 50(4): 1099. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2007.11.029

16. Chukhrov F.V., Ermylova L.P., Gorshkov A.I. Hypergenic iron oxides in geological processes. (Moscow: Nauka, 1975). [in Russian].

17. Tamura H. The role of rusts in corrosion and corrosion protection of iron and steel. Corros. Sci. 2008. 50(7): 1872.

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.03.008

18. Astanina A.N., Rudenko A.P. The mechanism of oxidation of ferrous ion by molecular oxygen in an aqueous solition. J. Phys. Chem. 1971. 45(2): 345. [in Russian].

19. Razumov O.N., Prokopenko V.A., Lavrynenko E.N., Mamunya S.V., Skoblik A.P. Kinetics of formation of iron-oxygen sructures in the 57Fe0 - H2O - O2 system. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2007. 5(1): 217. [in Russian].

20. Boucherit N., Hugot-Le Goff A., Joiret S. Raman studies of corrosion films grown on Fe and Fe-6Mo in pitting conditions. Corros. Sci. 1991. 32(5-6): 497. https://doi.org/10.1016/0010-938X(91)90103-V

21. Schwertmann U., Fechter H. The formation of green rust and its transformation to lepidocrocite. Clay Miner. 1994. 29(1): 87. https://doi.org/10.1180/claymin.1994.029.1.10

22. Yamashita M., Konishi H., Kozakura T., Mizuki J., Uchida H. In situ observation of initial rust formation process on carbon steel under Na2SO4 and NaCl solution films with wet/dry cycles using synchrotron radiation X-rays. Corros. Sci. 2005. 47(10): 2492. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2004.10.021

23. Ruby C., Usman M., Naille S., Hanna K., Carteret C., Mullet M., François M., Abdelmoula M. Synthesis and transformation of iron-based layered double hydroxides. Appl. Clay Sci. 2010. 48(1-2): 195. https://doi.org/10.1016/j.clay.2009.11.017

24. Bhowmick S., Chakraborty S., Mondal P., Renterghem W.V., Berghe S.V., Roman-Ross G., Chatterjee D., Iglesias M. Montmorillonite-supported nanoscale zero-valent iron for removal of arsenic from aqueous solution: Kinetics and mechanism. Chem. Eng. J. 2014. 243: 14. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.12.049

25. Sergeev G.B. Nanochemistry. (Moscow: MSU PH, 2003). [in Russian].

26. Lavrynenko O.M., Netreba S.V., Kosorukov P.O. Peculiarities of the nanosized lepidocrocite and magnetite structures forming on the steel surface in the open-air system. Nano Studies. 2012. 6: 93.

27. Lavrynenko O.M., Kovalchuk V.I., Netreba S.V., Ulberg Z.R. New rotation-corrosion dispergation method for obtaining of iron-oxygen nanoparticles. Nano Studies. 2013. 7: 295.

28. Lavrynenko O.M. Doctoral (Chem.). (Kyiv, 2013). [in Ukrainian].