Sonicarea a accelerat formarea hidroxidului dublu stratificat de Mg-Al-fosfat prin sol-gel preparat
Subiecte
Abstract
Hidroxid dublu (LDH) monofazat stratificat de aluminiu (LDH) intercalat cu dihidrogen fosfat a fost produs cu succes prin hidratarea nanopulberii respectivului oxid de metal mixt (MMO) obținut utilizând metoda bazată pe sol-gel urmată de un schimb de anioni în doi pași hidroxid -clorură și clorură-la-fosfat. MMO cu raportul de cationi metalic de Mg/Al = 2: 1 a fost preparat utilizând metoda apoasă sol-gel. Procesele de formare părinte Mg2Al-OH LDH și schimburile de anioni reușite, OH - → Cl - și Cl - → H2PO4 -, au fost accelerate considerabil prin aplicarea ultrasunetelor de mare putere (1,5 kW). Fazele cristaline formate în toate etapele producției de Mg2Al-H2PO4 LDH au fost caracterizate folosind difracție de raze X, microscopie electronică de scanare, microscopie electronică de transmisie de scanare, spectroscopie de emisie optică cu plasmă inductivă cuplată, spectroscopie în infraroșu transformată Fourier și analiză termogravimetrică. Pe baza datelor analizei chimice și a datelor XRD, s-a determinat tipul anionului fosfat intercalat și s-a modelat dispunerea acestui anion în stratul intermediar.
Introducere
Hidroxizii dubli stratificați au găsit diferite aplicații în multe domenii, cum ar fi cataliza 16, eliberarea medicamentului 17, adsorbția 18, separarea 19, stocarea energiei 20, reacțiile de evoluție a hidrogenului și oxigenului 21 și protecția împotriva coroziunii 22 Majoritatea LDH-urilor produse comercial se realizează prin co-precipitare 23, prin sinteză hidrotermală 24 sau prin calea care combină ambele metode 25. Toate aceste trei tehnici menționate fac posibilă o producție de produs bine cristalizat, cu o bună reproductibilitate; cu toate acestea, consumă destul de mult timp.
Au fost aplicate mai multe metode pentru optimizarea proceselor de preparare a LDH. S-a demonstrat că sonicarea ajută la rehidratarea hidrotalcitului printr-o reacție de tip „memorie de formă” 28. În plus, sonicarea a fost aplicată în etapa de sinteză a Mg3Al-CO3 pentru a promova formarea de microparticule LDH uniforme 29. Ecografia a fost, de asemenea, utilizată în formarea LDH pentru a ajuta sinteza 30, reacțiile de schimb de anioni 31.32 și în funcționalizarea LDH 33.34. Trebuie subliniat aici că, în toate cazurile menționate anterior, puterea de sonicare aplicată a fost destul de moderată (un ordin de 100 W) în comparație cu cea utilizată în această lucrare (1,5 kW).
Datele structurale despre LDH-uri care conțin fosfat disponibile din literatură sunt destul de controversate 12,35,36,37. Acest lucru pare să se raporteze la o diversitate de specii de fosfați în soluții pe bază de apă și la dificultăți în identificarea tipului și a aranjării acestor specii în stratul intermediar. În plus, în unele cazuri, se recomandă altoirea anionilor fosfat în stratul de hidroxid 35. Badreddine și colab. 36 au raportat distanțele bazale (care sunt distanțele dintre straturile de hidroxid adiacente) ale LDH-urilor Zn2Al obținute ca urmare a schimbului de anioni clorură-fosfat în funcție de pH-ul soluției de schimb. Cu toate acestea, valorile de distanțare bazală obținute nu au fost corelate cu dimensiunile anionilor fosfați intercalați.
În această lucrare, am combinat metoda apoasă de producere a Mg2Al-OH LDH pe bază de sol-gel urmată de intercalația cu anion fosfat prin reacțiile succesive de schimb anionic, OH - → Cl - și Cl - → H2PO4 -, cu sonicare a puterii. Demonstrăm că aplicarea unei ultrasunete la nivel de kW accelerează considerabil toate etapele formării produsului final, și anume hidratarea și ambele schimburi de anioni. Tipul anionului fosfat intercalat și dispunerea acestuia în strat intermediar au fost încheiate.
Rezultate si discutii
S-a constatat că formarea fazei LDH prin hidratarea Mg2Al (MMO) la temperatura camerei este destul de lentă. Deși unele indicații ale reflecțiilor bazale corespunzătoare fazei LDH pot fi recunoscute deja după primele 15 minute de hidratare, modelul caracteristic LDH este văzut clar doar după 4 ore. Urmele precursorului MMO dispar între 8 și 24 de ore. (Pentru mai multe detalii vezi Fig. S1 din Informații suplimentare). Cu toate acestea, chiar și după 24 de ore, reflexiile de difracție ale fazei LDH sunt încă largi, ceea ce sugerează o dimensiune medie mică a cristalitului și o distribuție largă a dimensiunii (Fig. 1). Prin urmare, temperatura de reacție a fost crescută.
Modelele XRD tipice ale produselor obținute după hidratarea MMO au dus la formarea Mg2Al-OH LDH (A-c) și ulterior hidroxid-la-clorură (e,d) și clorură-la-fosfat (f,g) schimburi de anioni efectuate în diferite condiții: (A) la temperatura camerei timp de 24 h - Mg2Al-OH (25 ° C/24h),) la 80 ° C timp de 2 ore - Mg2Al-OH (80 ° C/2h)c) cu ultrasunete aplicat timp de 30 min - Mg2Al-OH (Sonic/30min), (d) la temperatura camerei timp de 15 min - Mg2Al-Cl (25 ° C/15min),e) cu ultrasunete aplicat timp de 4 min - Mg2Al-Cl (Sonic/4min), (f) la temperatura camerei timp de 1 h - Mg2Al-HXPO4 (25 ° C/1h) șig) cu ultrasunete aplicat timp de 8 min - Mg2Al-HXPO4 (Sonic/8min). Inserare: valorile distanțelor bazale (în nm) ale fazelor LDH respective
În al doilea set de experimente efectuate la 80 ° C, s-a obținut deja o singură fază Mg2Al-OH LDH după 2 ore de hidratare a Mg2Al (MMO) (Fig. 1). S-a observat că vârfurile de difracție devin mai înguste odată cu extinderea ulterioară a procesului de hidratare (Fig. S2 din Informații suplimentare). Într-adevăr, valorile lățimii complete la jumătate maximă (FWHM) ale reflexiilor respectate au fost calculate pentru a scădea monoton pe măsură ce timpul de hidratare este crescut de la 2 la 24 de ore (Fig. 2).
Lățimea completă la jumătatea valorilor maxime (FWHM) a vârfurilor de difracție bazală 003 ale fazei LDH obținute prin hidratarea Mg2Al MMO fie la temperatura camerei, fie la 80 ° C sau sub ultrasunete aplicate de mare putere în funcție de timpul de hidratare. Observați scara de timp logaritmică.
Din comparația valorilor FWHM ale reflecțiilor bazale ale fazelor LDH cristalizate fie la temperatura camerei, fie la 80 ° C, viteza de reacție a crescut cu mai mult de factorul 20.