Написати автору Адсорбція різних сполук на нанооксидах, вихідних та по–різному тренованих
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.04.474
Анотація
Особливості міжфазних явищ адсорбат/адсорбент залежать від кількох факторів: морфології частинок, текстури та структури адсорбентів, молекулярної маси та форми, полярності адсорбатів; а також від передісторії адсорбентів, наприклад, «м’яких» порошків нанооксидів, попередньо оброблених у різних умовах. Усі ці фактори можуть впливати на ефективність практичного застосування не лише адсорбентів, а й полімерних наповнювачів, носіїв, каталізаторів тощо. Взаємодія неполярних таких адсорбатів, як азот, гексан та бензол, слабкополярного ацетонітрилу, полярних ді– та триетиламінів, води з індивідуальними (кремнезем, оксид алюмінію), бінарними (діоксид кремнію/оксид алюмінію (SA)) і потрійними (оксид алюмінію/оксид кремнію/оксид титану, AST) нанооксидами досліджували за допомогою експериментальних і теоретичних методів для з’ясування впливу морфологічних і текстурних характеристик і складу поверхні матеріалів на явища адсорбції. Співвідношення питомої площі поверхні SX / (X – адсорбат) змінюється від 0.7 для гексану, адсорбованого на аморфному SA8 з 8 мас. % Al2O3 (дегазованого при 200 °C) до 1.9 для ацетонітрилу, адсорбованого на чистому пірогенному оксиді алюмінію (обробленому при 900 °C). Ці зміни є відносно великими через варіації орієнтації, латеральних взаємодій та адсорбційного стиснення органічних молекул, які взаємодіють з поверхнями, що характеризуються певним набором і кількістю різноманітних активних центрів, а також через зміни доступності поверхні пор для молекул різних розмірів. Більші значення SX / > 1 спостерігаються для складних нанооксидів з більшими первинними наночастинками, більшою шорсткістю поверхні, гідрофільністю та кислотністю (центри Бренстеда і Льюїса) поверхні. Як полярні, так і неполярні адсорбати можуть змінювати морфологію і текстуру агрегатів наночастинок оксидів, наприклад, призводити до набухання структур (ущільнених під час різних попередніх обробок) при адсорбції рідин. Вивчені ефекти треба враховувати при практичному застосуванню адсорбентів, особливо таких, як «м’які» нанооксиди.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2008).
2. Hastie J.W. (editor). Materials Chemistry at High Temperatures. V. 1, Characterization. V. 2, Processing and Performance. (NJ Clifton: Humana Press, 1990). https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0481-7
3. Büchel K.H., Moretto H.-H., Woditsch P. Industrial inorganic chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000). https://doi.org/10.1002/9783527613328
4. Basic characteristics of Aerosil fumed silica (4th ed.). Tech. Bull. Fine Particles 11. (Hanau: Evonik Industries, 2014).
5. Cabot Corporation. http://www.cabotcorp.com/solutions/products-plus/fumed-metal-oxides/. CAB-O-SIL® fumed silicas for pharmaceutical and nutraceutical applications.
6. DuPont. http://www.dupont.com/
7. Evonik Ind. http://corporate.evonik.com/en/Pages/default.aspx
http://www.aerosil.com/product/aerosil/en/services/downloads/Pages/test-methods.aspx
8. Wacker Chemie Ag. https://www.wacker.com/cms/en/products/brands_2/hdk/hdk.jsp
9. Hongwu International Group Ltd. http://www.hwnanomaterial.com/The-Difference-Between-Hydrophilic-Silica-and-Hydrophobic-Silica-Nanoparticles_p255.html
10. Yang R.T. Adsorbents: Fundamentals and Applications. (New York: Wiley, 2003). https://doi.org/10.1002/047144409X
11. Theodore L., Kunz R. G. Nanotechnology: Environmental Implications and Solutions. (Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, 2005). https://doi.org/10.1002/0471711705
12. Wypych G. Handbook of Fillers. (Toronto: ChemTec Publishing, 1999).
13. Rothon R.N., Roger N. Particulate fillers for polymers. (Shrewsbury: Rapra, 2001).
14. Somasundaran P. (editor). Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Third Edition. (Boca Raton: CRC Press, 2015). https://doi.org/10.1081/E-ESCS3
15. Blitz J.P., Gun'ko V.M. (editors). 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
16. Iler R.K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. (Chichester: Wiley, 1979).
17. Bergna H.E., Roberts W.O. (editors). Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006). https://doi.org/10.1201/9781420028706
18. Theodore L. Nanotechnology: Basic Calculations for Engineers and Scientists. (Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, 2006). https://doi.org/10.1002/0471752010
19. Hashim A.A. (editor). Smart Nanoparticles Technology. (Rijeka, Croatia: InTech, 2012). https://doi.org/10.5772/1969
20. Biricik H., Sarier N. Comparative study of the characteristics of nano silica-, silica fume- and fly ash - incorporated cement mortars. Mater. Res. 2014. 17(3): 570. https://doi.org/10.1590/S1516-14392014005000054
21. Slejko F.L. Adsorption Technology: A Step-by-Step Approach to Process Evaluation and Application. (New York: Marcel Dekker Inc., 1985).
22. Lu K. Nanoparticulate Materials. Synthesis, Characterization, and Processing. (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013).
23. Birdi K.S. (editor). Handbook of Surface and Colloid Chemistry. Third edition. (Boca Raton: CRC Press, 2009). https://doi.org/10.1201/9781420007206.ch1
24. Legrand A.P. (editor). The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).
25. Vansant E.F., Van Der Voort P., Vrancken K.C. Characterization and Chemical Modification of the Silica Surface. (Amsterdam: Elsevier, 1995). https://doi.org/10.1016/S0167-2991(06)81508-9
26. Dabrowski A., Tertykh V.A. (editors). Adsorption on New and Modified Inorganic Sorbents; Studies in Surface Science and Catalysis. V. 99. (Amsterdam: Elsevier, 1996).
27. Auner N., Weis J. (editors). Oganosilicon Chemistry VI. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005). https://doi.org/10.1002/9783527618224
28. Piemonte V., De Falco M., Basile A. (editors). Sustainable Development in Chemical Engineering - Innovative Technologies. First Edition. (Chichester, UK: John Wiley & Sons, 2013). https://doi.org/10.1002/9781118629703
29. Buesser B., Pratsinis S.E. Design of aerosol particle coating: Thickness, texture and efficiency. Chem. Eng. Sci. 2010. 65(20): 5471. https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.07.011
30. Pietsch W. Agglomeration in Industry. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005).
31. Kulkarni P., Baron P.A., Willeke K. (editors). Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition. (New York: John Wiley & Sons, 2011). https://doi.org/10.1002/9781118001684
32. Oberdisse J. Aggregation of colloidal nanoparticles in polymer matrices. Soft Matter. 2006. 2(1): 29. https://doi.org/10.1039/B511959F
33. Brunelli A., Pojana G., Callegaro S., Marcomini A. Agglomeration and sedimentation of titanium dioxide nanoparticles (n-TiO2) in synthetic and real waters. J. Nanopart. Res. 2013. 15:1684. https://doi.org/10.1007/s11051-013-1684-4
34. Tapia O., Bertrán J. (editors). Solvent Effects and Chemical Reactivity. (New York: Kluwer Academic Publishers, 2000).
35. 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
36. 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. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.06.003
37. Henderson M.A. Interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Report. 2002. 46(1-8): 1. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(01)00020-6
38. Wypych G. (editor). Handbook of Solvents. (Toronto: ChemTec Publishing, 2001).
39. Kammerhofer J. Capillary Wetting of Heterogeneous Powders. 1st edn. (Göttingen: Cuvillier Verlag, 2019).
40. Mittal V. (editor). Surface Modification of Nanoparticle and Natural Fiber Fillers. First Edition. (Weinheim: Wiley-VCH, 2015). https://doi.org/10.1002/9783527670260
41. Kim C.-S., Randow C., Sano T. (editors). Hybrid and Hierarchical Composite Materials. (Switzerland: Springer, 2015). https://doi.org/10.1007/978-3-319-12868-9
42. Kickelbick G. (editor). Hybrid Materials. Synthesis, Characterization, and Applications. (Weinheim: Wiley-VCH, 2007).
43. Ajayan P.M., Schadler L.S., Braun P.V. Nanocomposite Science and Technology. (Weinheim: Wiley-VCH, 2003). https://doi.org/10.1002/3527602127
44. Balazs C., Emrick T., Russell T.P. Nanoparticle polymer composites: Where two small worlds meet. Science. 2006. 314(5802): 1107. https://doi.org/10.1126/science.1130557
45. Zou H., Wu S., Shen J. Polymer/silica nanocomposites: preparation, characterization, properties, and applications. Chem. Rev. 2008. 108(9): 3893. https://doi.org/10.1021/cr068035q
46. Schmidt G., Malwitz M.M. Properties of polymer - nanoparticle composites. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2003. 8(1): 103. https://doi.org/10.1016/S1359-0294(03)00008-6
47. Kumar M.S.S., Raju N.M.S., Sampath P.S., Jayakumari L.S. Effects of nanomaterials on polymer composites - an expatiate view. Rev. Adv. Mater. Sci. 2014. 38(1): 40.
48. Díaz A., Casas M.T., Puiggalí J., Dispersion of functionalized silica micro- and nanoparticles into poly(nonamethylene azelate) by ultrasonic micro-molding. Appl. Sci. 2015. 5(4): 1252. https://doi.org/10.3390/app5041252
49. Bagwe R.P., Hilliard L.R., Tan W. Surface modification of silica nanoparticles to reduce aggregation and nonspecific binding. Langmuir. 2006. 22(9): 4357. https://doi.org/10.1021/la052797j
50. Nicolais L., Borzacchiello A., Lee S.M. (editors). Wiley Encyclopedia of Composite Materials, 5-Volume set, 2nd ed. (Hoboken, NJ: Wiley, 2012).
51. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd ed. (London: Academic Press, 1982).
52. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. Sixth edn. (New York: Wiley, 1997).
53. Lowell S., Shields J., Thomas M.A., Thommes M. Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Porosity and Density. (Dordrecht: Springer, 2004). https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2303-3
54. Rouquerol J., Rouquerol F., Sing K.S.W., Llewellyn P., Maurin G. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Applications. (New York: Academic Press, 2014).
55. 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 Appl. Chem. 2015. 87(9-10): 1051. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
56. Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W, Moscou L., Pieroti R.A., Rouquerol J., Siemieniewska T. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (Recommendations 1984). Pure Appl. Chem. 1985. 57(4): 603. https://doi.org/10.1351/pac198557040603
57. LeVan M.D. (editor). Fundamentals of Adsorption. (Boston: Kluwer Academic Publishers, 1996). https://doi.org/10.1007/978-1-4613-1375-5
58. Nguyen C., Do D.D. A new method for the characterization of porous materials. Langmuir. 1999. 15(10): 3608. https://doi.org/10.1021/la981140d
59. Al-Abadleh H.A., Grassian V.H. Oxide surfaces as environmental interfaces. Surf. Sci. Report. 2003. 52(3-4): 63. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2003.09.001
60. Henderson M.A. The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Rep. 2002. 46(1-8): 1. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(01)00020-6
61. Akhter F., Rao A.A., Abbasi M.N., Wahocho S.A., Mallah M.A.,·Anees-ur-Rehman H., Chandio Z.A. A comprehensive review of synthesis, applications and future prospects for silica nanoparticles (SNPs). Silicon. 2022. 14: 8295. https://doi.org/10.1007/s12633-021-01611-5
62. Canesi L., Ciacci C., Vallotto D., Gallo G., Marcomini A., Pojana G. In vitro effects of suspensions of selected nanoparticles (C60 fullerene, TiO2, SiO2) on Mytilus hemocytes. Aquat. Toxicol. 2010. 96(2):151. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2009.10.017
63. D'Agata A., Salvatore F., Dallas L.J., Fisher A.S., Maisano M., Readman J.W., Jha A.N. Enhanced toxicity of 'bulk' titanium dioxide compared to 'fresh' and 'aged' nano-TiO2 in marine mussels (Mytilus galloprovincialis). Nanotoxicology. 2014. 8(5): 549. https://doi.org/10.3109/17435390.2013.807446
64. Njuguna J., Pielichowski K., Zhu H. (editors). Health and Environmental Safety of Nanomaterials. Polymer Nancomposites and Other Materials Containing Nanoparticles. (Cambridge: Woodhead Publishing, 2021).
65. Srikanth K., Mahajan A., Pereira E., Duarte A.C., Rao J.V. Aluminium oxide nanoparticles induced morphological changes, cytotoxicity and oxidative stress in Chinook salmon (CHSE-214) cells. J. Appl. Toxicol. 2015. 35(10): 1133. https://doi.org/10.1002/jat.3142
66. Younes M., Aggett P., Aguilar F., Crebelli R., Dusemund B., Filipic M., Frutos M.J., Galtier P., Gott D., Gundert-Remy U., Kuhnle G.G., Leblanc J.-C., Lillegaard I.T., Moldeus P., Mortensen A., Oskarsson A., Stankovic I., Waalkens-Berendsen I., Woutersen R.A., Wright M., Boon P., Chrysafidis D., Gurtler R., Mosesso P., Parent-Massin D., Tobback P., Kovalkovicova N., Rincon A.M., Tard A., Lambre C. Re-evaluation of silicon dioxide (E 551) as a food additive. EFSA Journal. 2018. 16(1): 5088. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2018.5088
67. Shpak A.P., Gorbik P.P. (editors). Nanomaterials and Supramolecular Structures. (Dordrecht: Springer, 2010). https://doi.org/10.1007/978-90-481-2309-4
68. Chuiko A.A. (editor). Chemistry of silica surface. (Kyiv: UkrINTEI, 2001). [in Russian].
69. Chuiko A.A. (editor). Medical chemistry and clinical application of silica. (Kyiv: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].
70. 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: 137. https://doi.org/10.2174/187794680502160111093413
71. Gun'ko V.M. Various methods to describe the morphological and textural characteristics of various materials. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9: 317. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.317
72. Gun'ko V.M., Voronin E.F., Nosach L.V., Turov V.V., Wang Z., Vasilenko A.P., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Mikhalovsky S.V. Structural, textural and adsorption characteristics of nanosilica mechanochemically activated in different media. J. Colloid Interface Sci. 2011. 355: 300. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.12.008
73. 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
74. Gun'ko V.M., Yurchenko G.R., Turov V.V., Goncharuk E.V., Zarko V.I., Zabuga A.G., Matkovsky A.K., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Phillips G.J., Mikhalovsky S.V. Adsorption of polar and nonpolar compounds onto complex nanooxides with silica, alumina, and titania. J. Colloid Interface Sci. 2010. 348(2): 546. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.04.062
75. Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers. J. Am. Chem. Soc. 1938. 60(2): 309. https://doi.org/10.1021/ja01269a023
76. 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
77. Nguyen C., Do D.D. Effects of probing vapors and temperature on the characterization of micro-mesopore size distribution of carbonaceous materials. Langmuir. 2000. 16: 7218. https://doi.org/10.1021/la991596a
78. Do D.D., Nguyen C., Do H.D. Characterization of micro-mesoporous carbon media. Colloids Surf. A. 2001. 187-188: 51. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(01)00621-5
79. Provencher S.W. A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations. Comput. Phys. Comm. 1982. 27(3): 213. https://doi.org/10.1016/0010-4655(82)90173-4
80. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A.V., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrzewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng G., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery J.A. Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M.J., Heyd J.J., Brothers E.N., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T.A., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A.P., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J. Gaussian 16, Revision C.02, (Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2019).
81. Barca G.M.J., Bertoni C., Carrington L., Datta D., De Silva N., Deustua J.E., Fedorov D.G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J., Mironov V., Nakata H., Pham B.Q., Piecuch P., Poole D., Pruitt S.R., Rendell A.P., Roskop L.B., Ruedenberg K. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152(15): 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188
82. Marenich A.V., Cramer C.J., Truhlar D.G. Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions. J. Phys. Chem. B. 2009. 113(18): 6378. https://doi.org/10.1021/jp810292n
83. Engel E., Dreizler R.M. Density Functional Theory: An Advanced Course. (Dordrecht: Springer, 2013).
84. Helgaker T., Jorgensen P., Olsen J. Molecular Electronic Structure Theory. (John Wiley & Sons, 2014).
85. Martin R.M., Reining L., Ceperley D.M. Interacting Electrons. (Cambridge University Press, 2016). https://doi.org/10.1017/CBO9781139050807
86. Gun'ko V.M. Atomic charge distribution functions as a tool to analyze electronic structure of molecular and cluster systems. Int. J. Quantum Chem. 2021. 121(14): e26665. https://doi.org/10.1002/qua.26665
87. Pettersen E.F., Goddard T.D., Huang C.C., Meng E.C., Couch G.S., Croll T.I., Morris J.H., Ferrin T.E. UCSF Chimera X: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Protein Sci. 2021. 30(1): 70. https://doi.org/10.1002/pro.3943
88. Avogadro 2. https://two.avogadro.cc/. Ver. 1.97. 2023
89. Zhurko G.A., Zhurko D.A. Chemcraft (version 1.8, build 640). http://www.chemcraftprog.com
90. Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures in 3D (Ver. 16.1.11). http://www.jmol.org/
91. Gun'ko V.M., Turov V.V., Goncharuk O.V., Pakhlov E.M., Matkovsky O.K. 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
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.04.474
Copyright (©) 2023 V. M. Gun'ko, O. K. Matkovsky
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.