Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОВОЛОКОН ОКСОГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОНАМИ МАРГАНЦА

Грязнова Е.Н. 1 Шиян Л.Н. 1 Коробочкин В.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Работа посвящена исследованию физико-химических свойств нановолокон оксогидроксида алюминия, модифицированных ионами Mn2+. В работе предложен оригинальный способ модифицирования, совмещенный с процессом роста нановолокон, который реализуется при взаимодействии электровзрывного нанопорошка алюминия с водными растворами соли марганца. Показано, что в процессе модифицирования существенно изменяются физико-химические свойства нановолокон, такие как площадь удельной поверхности, фазовый и химический состав. Функциональные свойства модифицированных нановолокон исследованы в реакциях разложения пероксида водорода и окисления ионов Fe2+. Показано, что модифицирование нановолокон оксогидроксида алюминия приводит к изменению химического и фазового состава полученного материала. Предложен механизм, отражающий влияние концентрации ионов Mn2+ на формирование структуры модифицированных образцов. Исследованы каталитические свойства модифицированных образцов в реакциях разложения пероксида водорода и окисления ионов железа (II). Установлено, что каталитические свойства возрастают с увеличением содержания ионов марганца в модифицированных образцах, что связано с изменением их состава в процессе модифицирования.
оксогидроксид алюминия
модифицирование
ионы марганца (II)
площадь удельной поверхности
пероксид водорода
ионы железа (II)
1. Модифицирование наноструктурногооксигидроксида алюминия частицами коллоидного серебра / О.В. Бакина, Е.А. Глазкова, А.С. Ложкомоев, Н.В. Сваровская, А.Н. Серова, М.И. Лернер // Перспективные материалы. – 2011. – № 6. – С. 47–52.
2. Катализаторы сжигания природного газа / С.И. Галанов, А.Ю. Водянкин, В.Н. Попов, И.Н. Мутас, Л.Н. Курина // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308. – № 4. – С. 109–112.
3. Влияние процесса модифицирования на свойства нановолоконоксогидроксида алюминия / Е.Н. Грязнова, Л.Н. Шиян, Н.А. Яворовский, В.В. Коробочкин // Журнал прикладной химии. – 2013. – Т. 86. – № 3. –С. 389–395.
4. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. – М.: «Химия», 1973. – 376 с.
5. ПатентРФ № 2007138281/15, 10.01.2009.
6. Патент РФ № 2001104753/04, 20.07.2002.
7. Рыжонков Д.И., Лёвина В.В., Дзидзигури Э.Л. Ультрадисперсные системы: получение, свойства, применение. – М.: МИСиС, 2003. – 182 с.
8. Сычев А.Я. Окислительно-восстановительный катализ комплексами металлов. – Кишинев: Штиинца, 1976. – 103 с.
9. Магнитный носитель для доксорубицина и его химическая трансформация в модельных биологических жидкостях / Т.А. Юрмазова, А.И. Галанов, Г.Г. Савельев, Н.А. Яворовский, Г.Л. Лобанова, В.А. Митькина // Известия Томского политехнического университета. – 2009. – Т. 314. – № 3. – С. 50–54.
10. Получение нановолоконокосогидроксида алюминия из порошков металлического алюминия / Н.А. Яворовский, Г.Г. Савельев, А.И. Галанов, Л.Н. Шиян, Т.А. Юрмазова, Г.Л. Лобанова // Перспективные материалы. – 2008. – № 4. – С. 74–80.

В настоящее время наибольший интерес представляют многокомпонентные наноразмерные материалы, обладающие широким спектром функциональных свойств [5, 6, 9]. Известно [10] использование нановолокнистого оксогидроксида алюминия (AlOOH) в качестве сорбента для очистки воды от вирусов и бактерий. Несмотря на высокую удельную поверхность этого материала, достигающую значений 300 м2/г, широкого практического применения он не нашел. Для расширения функциональных свойств оксогидроксида алюминия необходим поиск путей придания ему новых свойств, что можно осуществить путем модифицирования. Для наноматериалов с высокой площадью удельной поверхностью обычно применяется поверхностное модифицирование [4].

Целью настоящей работы является исследование физико-химических и функциональных свойств модифицированных нановолокон оксогидроксида алюминия.

Выбор ионов марганца (II) обусловлен его каталитическим действием в процессе разложения пероксида водорода, окисления двухвалентного железаи синтеза органических соединений [1, 6, 7].

Материалы и методы исследования

В качестве исходного материала для получения нановолкон AlOOH использовали нанопорошок алюминия, полученный методом электрического взрыва проводника в среде аргона с добавлением кислорода из расчета 0,05 г на 1 г алюминиевой проволоки. Такие условия позволили получить пассивированные порошки с содержанием активного алюминия не менее 85 мас. %.

Метод получения нановолокнистого оксогидроксида алюминия основан на реакции окисления нанопорошка алюминия водой [2]. Окисление проводили в дистиллированной воде и в водном растворе соли сульфата марганца (MnSO4·5H2O). Методика модифицирования изложена в работе [3] и заключалась в совместном протекании процессов роста нановолокон AlOOH и модифицирования. Концентрация нанопорошка алюминия сохранялась постоянной и составляла 13,9·10–3 М, а содержание ионов Mn2+ в растворе изменяли в диапазоне от 0,02·10–3 до 19,3·10–3 М.

Количественное содержание ионов Mn2+ в модифицированных нановолокнах определяли методом химического анализа в соответствии с ГОСТ 4974-72. Синтезированные образцы отмывали дистиллированной водой, растворяли в 5 мл концентрированной азотной кислоты и проводили количественный химический анализ на содержание ионов Mn2+ в образцах.

Площадь удельной поверхности измеряли с помощью анализатора «Сорбтометр-М» методом БЭТ, а фазовый состав контролировали методом рентгеновского анализа с использованием дифрактометра Shimadzu XRD-7000. Диапазон углов сканирования 2θ составлял от 10 до 70 град., а скорость сканирования поддерживалась 1 град./мин.

Функциональные свойства модифицированных образцов с различным содержанием марганца исследовали в статических условиях в реакциях разложения пероксида водорода и окислении двухвалентного железа. Эффективность разложения пероксида водорода в присутствии модифицированных образцов с разным содержанием ионов марганца исследовали волюмометрическим методом с использованием уравнения Менделеева‒Клайперона. Концентрация пероксида водорода в растворе была постоянной и составляла 0,54 мас. %. Для оценки эффективности окисления железа (II) в присутствии модифицированных образцов контролировали концентрацию железа (II) в растворе колориметрическим методом с о-фенантролином [8]. Исходная концентрация железа (II) составляла 12,0 ± 1,2 мг/л.

Результаты исследования и их обсуждение

Взаимодействие электровзрывного нанопорошка алюминия с водой протекало по реакции:

2Al + 5H2O→AlOOH + Al(OH)3 + 3H2 (1)

Продуктами реакции являлись гидроксид алюминия – Al(OH)3, оксогидроксид алюминия – AlOOH и небольшое количество металлического алюминия, не вступившего в реакцию. При взаимодействии нанопорошка алюминия с водным раствором соли марганца изменялся химический и фазовый состав продуктов реакции, что свидетельствовало об участии ионов Mn2+ в формировании нановолокон. Влияние концентрации ионов марганца в растворе на площадь удельной поверхности и содержание активного алюминия в образующихся нановолокнах представлено в таблице.

Зависимость значения удельной поверхности и активного алюминия модифицированных образцов от концентрации прореагировавшего марганца

Номер образца

Исходная концентрация марганца в растворе, 10–3 М

Концентрация прореагировавшего марганца, 10–3 М

Доля прореагировавшего марганца, %

Значение площади удельной поверхности, м2/г

Концентрация активного алюминия, мас. %

0

0

0

0

215

0,4

1

0,02

0,019

98,0

268

0,5

2

1,13

0,41

36,3

236

0,8

3

11,66

2,71

23,3

136

2,7

4

19,3

4,01

20,78

106

3,6

Из таблицы видно, что при увеличении концентрации ионов марганца в растворе увеличивалась концентрация марганца, участвующего в процессе модифицирования, в то время как его доля по отношению к исходной концентрации снижалась. Это связано с уменьшением интенсивности образования волокнистой структуры при увеличении концентрации ионов Mn2+ в растворе, что показано результатами по измерению площади удельной поверхности и остаточной концентрации активного алюминия в модифицированных образцах. Результаты, представленные в таблице, согласуются с результатами рентгенофазового анализа, приведенными на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что основными фазами в исходном образце (0) являлись псевдобемит AlOOH, байерит Al(OH)3 и небольшое количество металлического алюминия (менее 0,5 мас. %, полученный волюмометрическим методом). С увеличением концентрации марганца в модифицированных образцах (1, 2, 3, 4) интенсивность пиков, характеризующих фазы псевдобемита и байерита, снижается, а доля металлического алюминия увеличивается, что наиболее ярко проявляется в образце 4 с содержанием марганца, равным 8,47∙10–3 мг/мг (получено аналитическим метод).

Известно, что окисление нанопрошка алюминия, полученного методом электрического взрыва проводника в среде аргона, протекает в три стадии. Первой стадией является индукционный период, где происходит адсорбция молекул воды на пассивирующем слое наночастиц порошка алюминия с последующей гидратацией. Вторая стадия заключается в диффузии молекул воды к поверхности активной частицы алюминия и протекании реакции окисления, сопровождающейся выделением водорода по реакции (1). Количество выделяющегося водорода эквивалентно количеству алюминия, вступившего в реакцию с водой. На третьей стадии идет процесс формирования проницаемого для воды псевдобемита, имеющего волокнистую структуру, и гидроксида алюминия. Однако в растворах солей данный механизм меняется. Была определена некоторая пороговая концентрация ионов Mn2+ в растворе, равная 12·10–3 М, значение которой определяет механизм взаимодействие нанопорошка алюминия с раствором соли марганца. При концентрации ионов Mn2 + в растворе менее указанного значения, на второй стадии преимущественно протекает реакция окисления металлического алюминия водой и выделение водорода:

Al0 – 3e → Al3+ (2)

2H2O + 2e → H2 + 2OH– (3)

pic_31.tif

Рис. 1. Рентгенограммы исходного – 0 и модифицированных – 1, 2, 3, 4, образцов оксогидроксида алюминия

При накоплении ионов Al3+ и OН–до значений произведения растворимости формируются новые фазы в виде нановолокон состава AlOOH и Al(OH)3, содержащие марганец в своей структуре, что связано с соосаждением в процессе роста нановолокон. При концентрациях ионов Mn2+ выше порогового значения механизм взаимодействия нанопорошка алюминия с раствором соли марганца меняется ввиду участия ионов марганца в процессе модифицирования по реакции:

Mn2+ + 2e → Mn0, (4)

которая является конкурирующей по отношению к реакции 3 на второй стадии, что приводит к снижению интенсивности образования нановолокон и увеличению содержания остаточного активного алюминия в образцах. Это связано с эффектом частичной пассивации поверхности наночастиц алюминия продуктом реакции 4. Благодаря высокой активности алюминия и марганца в водном растворе возможно их взаимодействие с образованием нестехиометрических соединений со структурой шпинелиевого типа – MnOх·Al2O3. Из литературы известно, что соединения такого типа могут обладать каталитическими свойствами, что было исследовано в реакции окисления ионов Fe (II). Для каждого модифицированного образца были получены зависимости изменения концентрации ионов Fe (II) от времени окисления, что показано на рис. 2 и 3.

Из рис. 2 и 3 видно, что процесс окисления железа (II) протекал более интенсивно в присутствии модифицированных нановолокон AlOOH в сравнении с немодифицированными образцами. Снижение концентрации ионов Fe2+ в растворе в присутствии немодифицированных образцов объясняется самопроизвольным его окислением в воздухе. Наибольшую эффективность процесса окисления железа (II) – 93,2 % показал образец 1, обладающий наибольшей площадью удельной поверхности, которая является определяющей в протекании гетерогенной реакции образования нерастворимого Fe(OH)3. Полученные экспериментальные результаты по изменению концентрации ионов Fe2+ в присутствии модифицированных образцов позволили рассчитать константы скорости процессов для различной концентрации ионов марганца в модифицированных образцах: k = 34·10–5 c–1, k0 = 35·10–5 c–1, k1 = 61·10–5 c–1, k2 = 54·10–5 c–1, k3 = 52·10–5 c–1, k4 = 55·10–5 c–1, которые показали, что скорость окисления возрастает в 1,8 раз.

pic_32.tif

Рис. 2. Кинетика окисления железа (II) в присутствии модифицированныхнановолокон AlOOH

pic_33.tif

Рис. 3. Зависимость эффективности окисления железа (II) от содержания марганца в модифицированных нановолокнах AlOOH

Каталитические свойства модифицированных нановолокон AlOOH оценивались также в реакции разложения пероксида водорода. Эксперименты проводили при температуре 20–26 °С и атмосферном давлении, которые учитывались в уравнении Менделеева–Клайперона при расчете количества разложившегося пероксида водорода. Полученные результаты представлены на рис. 4.

pic_34.tif

Рис. 4. Зависимость степени разложения пероксида водорода от содержания марганца в модифицированных нановолокнах AlOOH

Из рис. 4 видно, что на процесс разложения пероксида водорода исходный оксогидроксид алюминия не оказывает каталитического действия. Модифицированные образцы катализируют процесс разложения пероксида водорода, причем степень разложения увеличивается с ростом содержания марганца в образцах.

Выполненные в работе эксперименты показали, что процесс модифицирования оксогидроксида алюминия ионами Mn2+ приводит к получению материала с новыми функциональными свойствами, проявляющимися в каталитических реакциях, что открывает новые области применения этого материала.

Выводы

1. Показано, что модифицирование нановолокон оксогидроксида алюминия приводит к изменению химического и фазового состава полученного материала.

2. Предложен механизм, отражающий влияние концентрации ионов Mn2+ на формирование структуры модифицированных образцов.

3. Исследованы каталитические свойства модифицированных образцов в реакциях разложения пероксида водорода и окисления ионов железа (II). Установлено, что каталитические свойства возрастают с увеличением содержания ионов марганца в модифицированных образцах, что связано с изменением их состава в процессе модифицирования.

В работе использованы результаты, полученные на оборудовании центра коллективного пользования «Нано-центр ТПУ».

Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» по теме 3.2702.2011.

Рецензенты:

Асламова В.С., д.т.н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и экологии, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», г. Иркутск;

Ивашкина Е.Н., д.х.н., доцент кафедры химической технологии топлива и химической кибернетики, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.


Библиографическая ссылка

Грязнова Е.Н., Шиян Л.Н., Коробочкин В.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОВОЛОКОН ОКСОГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОНАМИ МАРГАНЦА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-3. – С. 585-589;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31962 (дата обращения: 31.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074