Написати автору Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.02.143
Анотація
Гібридні композити вуглець/метал/оксиди металу (металоїду) можуть бути більш ефективними адсорбентами для низько– та високомолекулярних сполук, полярних та неполярних, газоподібних та рідких. Наявність металевих нанокристалітів і вуглецевих наноструктур може забезпечити каталітичні властивості в окисно–відновних реакціях. Для більш ефективного використання гібридних композитів необхідно контролювати їхні морфологічні, структурні, текстурні та адсорбційні характеристики, щоб вони відповідали цільовим застосуванням. Тому метою даного дослідження був синтез наноструктурованих композитів вуглець/метал/кремнезем із змінним вмістом металу (Ni) для контролю зазначених характеристик. Як матрицю обрано осаджений кремнезем Sipernat 50. Як попередник вуглецю використовували картопляний крохмаль. Як прекурсор наночастинок Ni використовували різну кількість солі Ni(NO3)2·6H2O. Після карбонізації крохмалю та відновлення Ni досліджували набір зразків C/Ni/кремнезем за допомогою атомно–силової мікроскопії, рентгенівської дифракції, рентгенівської флуоресцентної спектроскопії, адсорбції азоту, термогравіметрії та рамановської спектроскопії. Присутність фази нікелю призводить до утворення менших, але більш щільно упакованих наночастинок вуглецю. Оцінка можливого внеску пор, доступних для молекул азоту в глобулах кремнезему та на зовнішній поверхні частинок вуглецю/Ni, свідчить про те, що вуглецева фаза є пористою, що забезпечує значну частину питомої поверхні композиту. Фази аморфного кремнезему та вугілля характеризуються наявністю певних зародків з радіусом < 1 нм і 2 нм < R < 10 нм, оцінених на основі рентгенограм за допомогою аналізу повних піків із процедурою самоузгодженої регулярізації. Кристаліти Ni мають кілька розмірів, оскільки розподіл частинок за розмірами включає два–три піки в діапазоні 3–13 нм в радіусі. Спектри КРС показують, що основні зміни зі збільшенням вмісту Ni характерні для вуглецевих структур sp3 (лінія D) на відміну від структур sp2 (лінія G). Розподіли розмірів пор (як диференціальні, так і інкрементні) демонстрють складні зміни в широкому діапазоні розмірів через збільшення вмісту Ni в композитах. Загалом зміни вмісту Ni у наноструктурованих композитах C/Ni/кремнезем дозволяють керувати морфологічними, структурними та текстурними характеристиками матеріалів.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
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, V. 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).
Singh S., Kumar P., Mondal D.P. (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
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).
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(3): 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. Eur. Polym. J. 2013. 49(2): 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 polyvinylpyrrolidone 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(2): 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(2): 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. Refrig. 2012. 35(6): 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. Ceram. Soc. 2010. 93(4): 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. Microporous Mesoporous 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. Microporous Mesoporous Mater. 2009. 118(1-3): 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. Microporous Mesoporous 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. Microporous Mesoporous 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(7-8): 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
Tang J., Wang T., Sun X., Hu Y., Xie Q., Guo Y., Xue H., He J. Novel synthesis of reduced graphene oxide-ordered mesoporous carbon composites and their application in electrocatalysis. Electrochim. Acta. 2013. 90: 53. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.11.099
Manocha L.M., Manocha S., Patel K.B., Glogar P. Oxidation behaviour of carbon/carbon composites impregnated with silica and silicon oxycarbide. Carbon. 2000. 38(10): 1481. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00003-8
Nandan D., Sreenivasulu P., Sivakumar Konathala L.N., Kumar M., Viswanadham N. Acid functionalized carbon-silica composite and its application for solketal production. Microporous Mesoporous 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(20-22): 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. Adsorpt. Sci. Technol. 2015. 33(6-8): 539. https://doi.org/10.1260/0263-6174.33.6-8.539
Herath A., Navarathna C., Warren S., Perez F., Pittman C.U. Jr., Mlsna T.E. Iron/titanium oxide-biochar (Fe2TiO5/BC): A versatile adsorbent/photocatalyst for aqueous Cr(VI), Pb2+, F- and methylene blue. J. Colloid Interface Sci. 2022. 614: 603. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.01.067
Wang J., Han Q., Wang K., Li S., Luo W., Liang Q., Zhong J., Ding M. Recent advances in development of functional magnetic adsorbents for selective separation of proteins/peptides. Talanta. 2023. 253: 123919. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123919
Nirenjan Shenoy P.N., Arjun N.M., Senthil Kumar P., Sree Hari A.B., Nithya K., Asha Sathish P. Recycled mesoporous magnetic composites with high surface area derived from plastic and de-oiled sludge wastes: An empirical comparison on their competitive performance for toxic Cr (VI) removal. Chemosphere. 2022. 292: 133375. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.133375
Salama A., Abou-Zeid R.E., Ionic chitosan/silica nanocomposite as efficient adsorbent for organic dyes. Inter. J. Bio. Macromol. 2021. 188: 404. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.08.021
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. Mater. Des. 2022. 222: 111091. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111091
Juela D.M. Promising adsorptive materials derived from agricultural and industrial wastes for antibiotic removal: A comprehensive review. Sep. Purif. Technol. 2022. 284: 120286. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120286
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. Mater. Today: Proc. 2022. 51(5): 1884. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.10.113
El Kurdi R., Chebl M., Sillanpää M., El-Rassy H., Patra D. Chitosan oligosaccharide/silica nanoparticles hybrid porous gel for mercury adsorption and detection. Materials Today Commun. 2021. 28: 102707. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102707
Ighalo J.O., Omoarukhe F.O., Ojukwu V.E., Iwuozor K.O., Igwegbe C.A. Cost of adsorbent preparation and usage in wastewater treatment: A review. Cleaner. Chem. Eng. 2022. 3: 100042. https://doi.org/10.1016/j.clce.2022.100042
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. Therm. Anal. Calorim. 2017. 128(3): 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(1): 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(1): 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(2): 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(11): 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. Anal. Appl. Pyrolysis. 2001. 60(2): 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. 2003. 231(1-3): 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. 2004. 235(1-3): 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(1-4): 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. Microporous Mesoporous Mater. 2005. 87(2): 133. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2005.06.044
Blitz J.P., Gun'ko V.M. (Eds.) Surface Chemistry in Biomedical and Environmental Science. NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. V. 228. (Dordrecht: Springer, 2006). https://doi.org/10.1007/1-4020-4741-X
Skubiszewska-Zięba J., Charmas B., Leboda R., Gun'ko V.M. Carbon-mineral adsorbents with a diatomaceous earth/perlite matrix modified by carbon deposits. Microporous Mesoporous 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. Colloids Surf. A. 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. Sep. Sci. 2015. 38(14): 2488. https://doi.org/10.1002/jssc.201500171
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. Therm. Anal. Calorim. 2017. 128(3): 1683. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6097-7
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 ed. (New York: Wiley, 1997).
Gun'ko V.M. Textural characteristics of composite adsorbents analyzed with density functional theory and self-consistent regularization procedure. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(2): 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. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 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(26): 11171. https://doi.org/10.1021/la0616146
Gun'ko V.M. Nano/meso/macroporous materials characterization affected by experimental conditions and features of the used methods. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 5. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.005
Gun'ko V.M. Polymer adsorbents vs. functionalized oxides and carbons: particulate morphology and textural and surface characterization. Polymers. 2021. 13(1249): 1. https://doi.org/10.3390/polym13081249
ImageJ. Version 1.53t. 2022. https://imagej.nih.gov/ij/, https://imagej.nih.gov/ij/plugins/granulometry.html.
Gun'ko V.M., Oranska O.I., Paientko V.V., Sulym I.Ya. Particulate morphology of nanostructured materials. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(3): 368. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.368
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
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
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
Kamegawa K., Yoshida H. A method for measuring surface area of carbon of carbon-coated silica gel. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1990. 63(12): 3683. https://doi.org/10.1246/bcsj.63.3683
Álvarez-Torrellas S., Martin-Martinez M., Gomes H.T., Ovejero G., García J. Enhancement of p-nitrophenol adsorption capacity through N2-thermal-based treatment of activated carbons. Appl. Surf. Sci. 2017. 414: 424. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.04.054
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.02.143
Copyright (©) 2023 V. M. Gun'ko, B. Charmas, J. Skubiszewska–Zięba
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.