Кинетические закономерности синтеза наночастиц диоксида кремния при гетерогенном гидролизе тетраэтоксисилана с использованием L-аргинина в качестве катализатора

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследована кинетика синтеза наночастиц кремнезема (< 50 нм) в условиях гетерогенного гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС) с использованием L-аргинина в качестве щелочного катализатора. Определены скорости процесса образования диоксида кремния в диапазоне температур 10–95°C при концентрациях катализатора 6–150 мМ. Показано, что энергия активации процесса зависит от концентрации катализатора и изменяется в диапазоне 21.5–13.9 кДж/моль, линейно уменьшаясь с ростом концентрации L-аргинина в системе. Проведена оценка критерия сохранения монодисперсности частиц SiO2 при их доращивании “на затравку”. Экспериментально установлена зависимость плотности кремнеземных частиц субмикронных размеров от температуры отжига. В диапазоне температур 200–1000°C плотность частиц меняется от 2.04 до 2.20 г/см3.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. М. Масалов

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: sovyk@inbox.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Н. С. Сухинина

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: sovyk@inbox.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Д. Н. Совык

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sovyk@inbox.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

В. Г. Ральченко

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: sovyk@inbox.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

Г. А. Емельченко

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: sovyk@inbox.ru
Россия, ул. Академика Осипьяна, 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Список литературы

  1. Korach L., Czaja K., Kovaleva N.Y. Sol–gel material as a support of organometallic catalyst for ethylene polymerization // Eur. Poly. J. 2008. V. 44. № 3. P. 889–903. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2007.11.037
  2. Li L., Ewing C.S., Abdelgaid M. et al. Binding of CO and O on low-symmetry Pt clusters supported on amorphous silica // The Journal of Physical Chemistry C. 2021. V. 125. № 25. P. 13780–13787. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c01452
  3. Тихомирова Т.И., Нестеренко П.Н. Особенности реакций комплексообразования на поверхности модифицированных кремнеземных сорбентов: сорбция и комплексообразовательная хроматография металлов // Координационная химия. 2022. Т. 48. № 10. С. 615–624. https://doi.org/10.31857/S0132344X22100085
  4. Chen Y., Li L., Xu Q. et al. Recent advances in opal/inverted opal photonic crystal photocatalysts // Sol. RRL. 2021. V. 5. № 6. P. 2000541. https://doi.org/10.1002/solr.202000541
  5. Moon B.-S., Hwang H.-S., Park J.-G. Influences of organic additive molecular weight in colloidal-silica-based slurry on final polishing characteristics of silicon wafer // Journal of The Electrochemical Society. 2012. V. 159. № 2. H107–H111. https://doi.org/10.1149/2.032202jes
  6. Bae J.-Y., Han M.-H., Lee S.-J. et al. Silicon wafer CMP slurry using a hydrolysis reaction accelerator with an amine functional group remarkably enhances polishing rate // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 21. P. 3893. https://doi.org/10.3390/nano12213893
  7. Ding Y., Xiao Z., Chen F. et al. A mesoporous silica nanocarrier pesticide delivery system for loading acetamiprid: Effectively manage aphids and reduce plant pesticide residue // Sci Total Environ. 2023. V. 863. P. 160900. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160900
  8. Zhang Z., Li W., Chang D. et al. A combination therapy for androgenic alopecia based on quercetin and zinc/copper dual-doped mesoporous silica nanocomposite microneedle patch // Bioactive Mater. 2023. V. 24. P. 81–95. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.12.007
  9. Wang H., Chang X., Ma Q. et al. Bioinspired drug-delivery system emulating the natural bone healing cascade for diabetic periodontal bone regeneration // Bioactive Mater. 2023. V. 21. P. 324–339. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.08.029
  10. Kerry R.G., Singh K.RB, Mahari S. et al. Bioactive potential of morin loaded mesoporous silica nanoparticles: A nobel and efficient antioxidant, antidiabetic and biocompatible abilities in in-silico, in-vitro, and invivo models // OpenNano. 2023. V. 10. P. 100126. https://doi.org/10.1016/j.onano.2023.100126
  11. Rivera D., Harris J.M. In situ ATR-FT-IR kinetic studies of molecular transport and surface binding in thin sol–gel films: Reactions of chlorosilane reagents in porous silica materials // Anal. Chem. 2001. V. 73. № 3. P. 411–423. https://doi.org/10.1021/ac000947j
  12. McCain K.S., Schluesche P., Harris J.M. Poly(amidoamine) dendrimers as nanoscale diffusion probes in sol–gel films investigated by total internal reflection fluorescence spectroscopy // Anal. Chem. 2004 V. 76. № 4. P. 939–946. https://doi.org/10.1021/ac0351015
  13. McCain K.S., Harris J.M. Total internal reflection fluorescence-correlation spectroscopy study of molecular transport in thin sol–gel films // Anal. Chem. 2003. V. 75. № 14. P. 3616–3624. https://doi.org/10.1021/ac0207731
  14. McCain K.S., Hanley D.C., Harris J.M. Single-molecule fluorescence trajectories for investigating molecular transport in thin silica sol–gel films // Anal. Chem. 2003. V. 75. № 17. P. 4351–4359. https://doi.org/10.1021/ac0345289
  15. Johnson S.A., Olivier P.J., Mallouk T.E. Ordered mesoporous polymers of tunable pore size from colloidal silica templates // Science. 1999. V. 283. № 5404. P. 963–965. https://doi.org/10.1126/science.283.5404.963
  16. Masalov V.М., Dolganov P.V., Sukhinina N.S. et al. Synthesis of polymer-based inverted opal and transformation of its optical properties // Advances in Nano Research. 2014. V. 2. № 1. P. 69–76. https://doi.org/10.12989/anr.2014.2.1.069
  17. Lei Z., Xiao Y., Dang L. et al. Fabrication of ultra-large mesoporous carbon with tunable pore size by monodisperse silica particles derived from seed growth process // Microporous Mesoporous Mater. 2006. V. 96. № 1–3. P. 127–134. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2006.06.031
  18. Сухинина Н.С., Масалов В.М., Жохов А.А. и др. Синтез и модификация углеродных инвертированных опалоподобных наноструктур на основе антрацена и их электрохимические характеристики // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12. № 11–12. С. 54–61.
  19. Zakhidov A.A., Baughman R.H., Iqbal Z. et al. Carbon structures with three-dimensional periodicity at optical wavelengths // Science. 1998. V. 282. № 5390. P. 897–901. https://doi.org/10.1126/science.282.5390.897
  20. Dai B., Shu G., Ralchenko V. et al. 2D inverse periodic opal structures in single crystal diamond with incorporated silicon-vacancy color centers // Diamond and Related Materials. 2017. V. 73. P. 204–209. https://doi.org/10.1016/J.DIAMOND.2016.09.022
  21. Kolbe G. Das komplexchemiche Verhalten der Kieselsaure. Dissertation, Friedrich-Schiller Universitat Jena, 1956.
  22. Stöber W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J. Colloid Interface Sci. 1968. V. 26. № 1. P. 62–69. https://doi.org/10.1016/0021-9797(68)90272-5
  23. Bogush G.A., Tracy M.A., Zukovski IV C.F. Preparation of monodisperse silica particles: Control of size and mass fraction // J. Non-Cryst. Solids. 1988. V. 104. № 1. P. 95–106. https://doi.org/10.1016/0022-3093(88)90187-1
  24. Giesche H. Synthesis of monodispersed silica powders I. Particle properties and reaction kinetics // J. Eur. Ceram. Soc. 1994. V. 14. № 3. P. 189–204. https://doi.org/10.1016/0955-2219(94)90087-6
  25. Chang S.M., Lee M., Kim W.-S. Preparation of large monodispersed spherical silica particles using seed particle growth // J. Colloid Interface Sci. 2005. V. 286. № 2. P. 536–542. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.01.059
  26. van Helden A.K., Jansen J.W., Vrij A. Preparation and characterization of spherical monodisperse silica dispersions in nonaqueous solvents // J. Colloid Interface Sci. 1981. V. 81. № 2. P. 354–368. https://doi.org/10.1016/0021-9797(81)90417-3
  27. Makrides A.C., Turner M., Slaughter J. Condensation of silica from supersaturated silicic acid solutions // J. Colloid Interface Sci. 1980. V. 73. № 2. P. 345–367.https://doi.org/10.1016/0021-9797(80)90081-8
  28. Bailey J.K., Meckartney M.L. Formation of colloidal silica particles from alkoxides // Colloids and Surfaces. 1992. V. 63. № 1–2. P. 151–161. https://doi.org/10.1016/0166-6622(92)80081-C
  29. van Blaaderen A., van Geest J., Vrij A. Monodisperse colloidal silica spheres from tetraalkoxysilanes: Particle formation and growth mechanism // J. Colloid Interface Sci. 1992. V. 154. № 2. P. 481–501. https://doi.org/10.1016/0021-9797(92)90163-G
  30. Chen S.-L. Preparation of monosize silica spheres and their crystalline stack // Colloids and Surfaces. 1998. V. 142. № 1. P. 59–63. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(98)00276-3
  31. Yokoi T., Sakomoto Y., Terasaki O. et al. Periodic arrangement of silica nanospheres assisted by amino acids // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. № 42. P. 13664–13665. https://doi.org/10.1021/ja065071y
  32. Davis T.M., Snyder M.A., Krohn J.E., Tsapatsis M. Nanoparticles in lysine–silica sols // Chem. Mater. 2006. V. 18. № 25. P. 5814–5816. https://doi.org/10.1021/cm061982v
  33. Hartlen K.D., Athanasopoulos A.P.T., Kitaev V. Facile preparation of highly monodisperse small silica spheres (15 to >200 nm) suitable for colloidal templating and formation of ordered arrays // Langmuir. 2008. V. 24. № 5. P. 1714–1720. https://doi.org/10.1021/la7025285
  34. Самаров Э.Н., Мокрушин А.Д., Масалов В.М., Абросимов Г.Е., Емельченко Г.А. Структурная модификация синтетических опалов в процессе их термообработки // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. № 7. С. 1212–1215.
  35. Matsoukas T., Gulari E. Dynamics of growth of silica particles from ammonia-catalyzed hydrolysis of tetra-ethyl-orthosilicate // J. Colloid Interface Sci. 1988. V. 124. № 1. P. 252–261. https://doi.org/10.1016/0021-9797(88)90346-3
  36. Matsoukas T., Gulari E. Monomer-addition growth with a slow initiation step: A growth model for silica particles from alkoxides // J. Colloid Interface Sci. 1989. V. 132. № 1. P. 13–21. https://doi.org/10.1016/0021-9797(89)90210-5
  37. Chen Sh.-L. Kinetics of formation of monodisperse colloidal silica particles through the hydrolysis and condensation of tetraethylorthosilicate // Ind. Eng. Chem. Res. 1996. V. 35. № 12. P. 4487–4493. https://doi.org/10.1021/ie9602217
  38. Ратников В.В. Определение пористости синтетических опалов и пористого кремния рентгеновским методом // ФТТ. 1997. Т. 39. № 5. С. 956–958.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменение концентрации диоксида крем‑ ния в ходе гидролиза ТЭОС при температуре 60°, концентрации L-аргинина 6 мМ и различной ин‑ тенсивности перемешивания реакционной смеси: 1 – скорости вращения мешалки 200 об./мин, 2 – 600 об./мин. На правой оси ординат отложена вели‑ чина степени конверсии ТЭОС.

Скачать (105KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кинетические прямые процесса гетерогенного гидролиза-конденсации ТЭОС при различных температурах и концентрациях L-аргинина.

Скачать (637KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости скорости процесса образования SiO2 от температуры для различных концентраций L-аргинина.

Скачать (122KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Температурные зависимости константы ско‑ рости процесса при различных концентрациях ката‑ лизатора L-аргинина.

Скачать (123KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость величины энергии активации процесса от концентрации L-аргинина.

Скачать (75KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Частицы диоксида кремния, полученные гетерогенным гидролизом ТЭОС в присутствии L-аргинина. Ча‑ стицы диоксида кремния D = 132.7 ± 2.1 нм (б), полученные доращиванием частиц диаметром D = 42.9 ± 2.5 нм (а). На вставках показаны нормальные распределения частиц по размерам.

Скачать (331KB)
Метаданные
8. Рис. 7. СЭМ-изображения частиц SiO2, полученных доращиванием затравок: (а) бимодальное распределение частиц по размерам; (б) монодисперсные частицы.

Скачать (513KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость плотности частиц диоксида кремния диаметром ~300 нм, полученных в условиях гетерогенного гидролиза ТЭОС в присутствии L-ар‑ гинина, от температуры отжига. Продолжительность отжигов составляла 24 ч.

Скачать (72KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024