Ультразвукове прискорене утворення подвійного гідроксиду шару Mg-Al-фосфату через приготовлений золь-гель

Предмети

Анотація

Однофазний магнієво-алюмінієвий шаруватий подвійний гідроксид (ЛДГ), інтеркальований дигідрофосфатом, був успішно отриманий гідратацією нанопорошку відповідного змішаного оксиду металу (ММО), отриманого методом на основі золь-гелю з подальшим двоступеневим аніонообмінним гідроксидом на -хлорид та хлорид-до-фосфату. ММО із співвідношенням катіонів металу Mg/Al = 2: 1 готували за допомогою водного золь-гелевого методу. Процеси утворення вихідного Mg2Al-OH LDH та послідовні аніонообміни, ОН - → Cl - та Cl - → H2PO4 -, були значно прискорені завдяки застосуванню потужного (1,5 кВт) ультразвуку. Кристалічні фази, сформовані на всіх стадіях виробництва Mg2Al-H2PO4 LDH, характеризувались за допомогою дифракції рентгенівських променів, скануючої електронної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії, індуктивної сполученої оптичної емісійної спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є та термогравіметричного аналізу. На основі даних хімічного аналізу та даних XRD було визначено тип інтеркальованого фосфатного аніона та змодельовано розташування цього аніона в прошарку.

Вступ

Шаруваті подвійні гідроксиди знайшли різне застосування у багатьох областях, таких як каталіз 16, доставка ліків 17, адсорбція 18, поділ 19, накопичення енергії 20, реакції виділення водню та кисню 21 та захист від корозії 22. Більшість комерційно вироблених ЛДГ отримують спільним осадженням 23, гідротермальним синтезом 24 або шляхом, що поєднує обидва ці методи 25. Всі ці три згадані методи дозволяють отримати добре кристалізований продукт з хорошою відтворюваністю; проте вони досить трудомісткі.

Для оптимізації процесів приготування ЛДГ застосовували декілька методів. Було показано, що обробка ультразвуком сприяє регідратації гідротальциту за допомогою реакції, схожої на “форму пам’яті” 28. Крім того, ультразвук застосовували на стадії синтезу Mg3Al-CO3 для сприяння утворенню однорідних мікрочастинок ЛДГ 29. Ультразвук також використовувався у формуванні ЛДГ для сприяння синтезу 30, аніонообмінних реакцій 31,32 та функціоналізації ЛДГ 33,34. Тут слід підкреслити, що у всіх вищезазначених випадках застосовувана ультразвукова потужність була досить помірною (близько 100 Вт) у порівнянні з потужністю, використаною в цій роботі (1,5 кВт).

Структурні дані про фосфатвмісні ЛДГ, доступні в літературі, досить суперечливі 12,35,36,37. Схоже, це пов’язано з різноманітністю видів фосфатів у розчинах на водній основі та труднощами при ідентифікації типу та розташування цих видів у прошарку. Крім того, в деяких випадках пропонується щеплення фосфатних аніонів у гідроксидний шар 35. Бадреддін та ін. 36 повідомляється про базальні відстані (які є відстанями між сусідніми шарами гідроксиду) Zn2Al ЛДГ, отримані в результаті аніонного обміну хлорид-фосфат залежно від рН обмінного розчину. Однак отримані величини базальних інтервалів не корелювали з розмірами інтеркальованих фосфатних аніонів.

У цій роботі ми поєднали водний метод отримання Mg2Al-OH LDH на основі золь-гелю з подальшою інтеркаляцією з фосфатним аніоном за допомогою послідовних реакцій аніонообміну, ОН - → Cl - і Cl - → H2PO4 -, з високо- енергетична ультразвукова обробка. Ми демонструємо, що застосування ультразвуку на рівні кВт значно прискорює всі стадії формування кінцевого продукту, а саме гідратацію та обидва аніонообміни. Зроблено висновок про тип інтеркальованого фосфатного аніона та його розташування в прошарку.

Результати і обговорення

Встановлено, що утворення фази ЛДГ гідратацією Mg2Al (ММО) при кімнатній температурі відбувається досить повільно. Хоча деякі ознаки базальних рефлексів, що відповідають фазі ЛДГ, можна розпізнати вже через перші 15 хв гідратації, характерний характер ЛДГ чітко проглядається лише через 4 год. Сліди попередника MMO зникають між 8 та 24 год. (Докладніше див. Рис. S1 додаткової інформації). Однак навіть через 24 години дифракційні відбиття фази ЛДГ все ще залишаються широкими, що свідчить про невеликий середній розмір кристалітів та широкий розподіл за розмірами (рис. 1). Тому температуру реакції підвищували.

шару

Типова рентгенографічна картина продуктів, отриманих після гідратації ММО, призвела до утворення Mg2Al-OH LDH (a-c) та подальшого перетворення гідроксиду в хлорид (e,d) та хлорид-до-фосфату (f,g) аніонообміни, що проводяться в різних умовах: (a) при кімнатній температурі протягом 24 год - Mg2Al-OH (25 ° C/24 год), () при 80 ° C протягом 2 год - Mg2Al-OH (80 ° C/2 год) (c) з ультразвуком, що застосовується протягом 30 хв - Mg2Al-OH (Sonic/30 хв), (d) при кімнатній температурі протягом 15 хв - Mg2Al-Cl (25 ° C/15 хв), (e) з ультразвуком, що застосовується протягом 4 хв - Mg2Al-Cl (Sonic/4 хв), (f) при кімнатній температурі протягом 1 год - Mg2Al-HхPO4 (25 ° C/1 год) та (g) з ультразвуком, що застосовується протягом 8 хв - Mg2Al-HхPO4 (Sonic/8 хв). Вставка: значення базального інтервалу (у нм) відповідних фаз LDH

У другому наборі експериментів, проведених при 80 ° C, однофазний Mg2Al-OH LDH був отриманий вже після 2-годинної гідратації Mg2Al (MMO) (рис. 1). Було помічено, що дифракційні піки звужуються з подальшим розширенням процесу гідратації (рис. S2 додаткової інформації). Дійсно, значення повної ширини на половині максимуму (FWHM) відповідних відбиттів були розраховані, щоб монотонно зменшуватися, оскільки час гідратації збільшується з 2 до 24 год (рис. 2).

Повна ширина при половинних максимумах (FWHM) значень 003 піків базальної дифракції фази LDH, отриманих гідратацією Mg2Al MMO або при кімнатній температурі, або при 80 ° C, або при застосуванні потужного ультразвуку в залежності від часу гідратації. Зверніть увагу на логарифмічну шкалу часу.

З порівняння значень ШІМ основних відбиттів фаз ЛДГ, кристалізованих або при кімнатній температурі, або при 80 ° С, швидкість реакції зросла більш ніж у 20 разів.