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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».