На правах рукописи

ШЕФЕР Кристина Ивановна

АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ В СТРУКТУРАХ

ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ

НА ОСНОВЕ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ

02.00.04. – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Новосибирск – 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН

Научный руководитель доктор физико-математических наук Цыбуля Сергей Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук Васильева Инга Григорьевна (Учреждение Российской академии наук Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН) доктор биологических наук Тузиков Федор Васильевич (Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН)

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Университет, химический факультет г. Санкт-Петербург

Защита состоится «20» ноября 2008 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.051. в Учреждении Российской академии наук Институте неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН

Автореферат разослан « » октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук В.А. Надолинный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оксиды и гидроксиды алюминия являются важнейшими технологическими материалами. Благодаря уникальным свойствам, оксиды алюминия используются для получения керамики, в качестве адсорбентов для обезвоживания жидкостей и газов, компонентов и носителей при синтезе многих металлических и оксидных катализаторов, в том числе для процессов переработки нефти и газов.

Свойства оксида алюминия определяются структурными особенностями его многочисленных полиморфных модификаций. В связи с большим практическим значением этих систем и из-за их высокой дисперсности, несмотря на то, что структура оксидов алюминия изучалась большим числом авторов, не все вопросы до конца решены.

Структура и свойства оксидов зависят от структуры и свойств их предшественников – гидроксидов алюминия. Гидроксиды алюминия также существуют в виде различных модификаций, которые различаются по химическому составу и кристаллической структуре, и поэтому термические превращения каждого из них имеют свои особенности. Различные технологии синтеза гидроксидов алюминия для приготовления гетерогенных катализаторов могут приводить к получению высокодисперсных продуктов с различной степенью совершенства кристаллической структуры. Поэтому необходима информация о структурных изменениях дисперсных гидроксидов по сравнению с кристаллическими, поскольку с уменьшением размеров кристаллитов увеличивается вероятность различного рода нарушений идеальной кристаллической структуры. Однако систематический анализ возможных дефектов в гидроксидах алюминия до сих пор не проводился, хотя для других структурных типов встречаются расчеты модельных дифракционных картин с учетом влияния на них различных нарушений структуры.

В Учреждении Российской академии наук Институте катализа им.

Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН) был разработан новый экономичный, экологически безопасный способ получения гидроксидов и оксидов алюминия на основе продукта импульсной термической активации гиббсита в поле центробежных сил. Как и для любого метода получения оксидов алюминия, необходимо было изучение синтезируемых продуктов рентгенографическими методами: структурные исследования, анализ фазового состава, причем в данном случае необходимо определение присутствия не только кристаллических, но и рентгеноаморфных фаз.

Важнейшую роль в определении фазового состава, кристаллической структуры, субструктуры, в анализе нарушений структуры играют рентгеновские дифракционные методы. Для исследования порошковых высокодисперсных материалов, какими являются объекты данного исследования, требуются специальные методики. Причем необходим комплекс методов, каждый из которых дает свою информацию о структуре. Для определения средней кристаллической структуры трехмерно упорядоченных объектов, которые невозможно получить в виде монокристаллов, используется метод уточнения кристаллических структур по Ритвельду. Для уточнения локальной структуры высокодисперсных фаз применяется метод радиального распределения электронной плотности (РРЭП). Для исследования реальной структуры материалов в ИК СО РАН разработаны методики моделирования дифракционных картин для одномерно разупорядоченных и дисперсных материалов.

Цель работы состояла в теоретическом анализе влияния дефектов кристаллической структуры, размеров и формы наночастиц на дифракционные картины гидроксидов алюминия и изучении структурных особенностей высокодисперсных образцов гидроксидов и оксидов алюминия, полученных по различным технологиям.

В задачи исследования входило:

моделирование дифракционных картин гидроксидов алюминия (гиббсита, байерита, бемита) с учетом их микроструктуры и различных нарушений кристаллической структуры;

моделирование кривых РРЭП гидроксидов алюминия (гиббсита, байерита, бемита) и различных модификаций оксида алюминия;

исследование локальной, кристаллической структуры и микроструктуры гидроксидов алюминия с различными физико-химическими характеристиками (удельная поверхность, дисперсность, содержание воды);

исследование методом РРЭП локальной структуры оксидов алюминия, полученных разными способами;

определение фазового состава и структурных особенностей исходных и регидратированных продуктов, полученных по технологии центробежной термической активации (ЦТА) гиббсита:

а) количественный фазовый анализ кристаллических и высокодисперсных фаз;

б) фазовый анализ рентгеноаморфных фаз.

Научная новизна работы. Впервые выполнен систематический анализ влияния различных нарушений в структурах гидроксидов алюминия на их дифракционные картины. Установлены характерные особенности рентгенограмм, позволяющие идентифицировать тип дефектов. Показана возможность определения с использованием модельных кривых РРЭП степени занятости октаэдрических и тетраэдрических позиций в низкотемпературных формах оксида алюминия.

Предложена модель структуры псевдобемита и впервые установлены кристаллографические позиции, которые могут занимать атомы кислорода, принадлежащие молекулам воды или ОН-группам, в этой структуре по сравнению со структурой кристаллического бемита. Показано, что, вопреки распространенному в литературе мнению, дополнительные молекулы воды не могут располагаться в межслоевом пространстве структуры псевдобемита, не нарушая регулярности этой структуры. Установлены микроструктурные особенности образцов псевдобемита, полученных по различным технологиям.

Определены структурные особенности продуктов новой технологии получения оксидов алюминия – ЦТА гиббсита, по сравнению с продуктами его термохимической активации (ТХА).

Практическая значимость. Результаты теоретических расчетов дифрактограмм могут использоваться при рассмотрении структурных особенностей гидроксидов, прежде всего дисперсных, получаемых различными методами.

Полученные модельные кривые РРЭП оксидов и гидроксидов алюминия необходимы для уточнения локальной структуры этих веществ, а также позволяют установить присутствие в образцах рентгеноаморфных фаз, не дающих выраженных дифракционных максимумов на рентгенограммах.

Показано, что общепринятая методика проведения расчета количества структурной воды в образцах псевдобемита из межплоскостного расстояния d не является корректной, так как увеличенные межслоевые расстояния, возникающие из-за присутствия дополнительных молекул воды в структуре, не оказывают влияния на положение пика 020. Расчет расстояния d020 необходимо проводить с введением поправки на инструментальные факторы.

Рентгенофазовый анализ с помощью полученных в данной работе градуировочных графиков использовался для установления условий получения гидроксидов байерита и псевдобемита из продукта ЦТА гиббсита.

На защиту выносятся:

результаты моделирования дифракционных картин и кривых РРЭП гидроксидов и оксидов алюминия;

предложенная в работе модель структуры псевдобемита, учитывающая наличие дополнительных молекул воды и объясняющая особенности дифракционных картин гидроксидов, полученных по различным технологиям;

результаты изучения фазового состава и структурных особенностей гидроксидов и оксидов алюминия, полученных по новой технологии ЦТА гиббсита.

Достоверность и надежность полученных результатов основываются на использовании нескольких рентгенографических методик при изучении структурных особенностей, а также на согласованности дифракционных данных с данными электронной микроскопии и на согласованности результатов с имеющимися литературными данными.

Личный вклад автора. Получение и анализ экспериментальных дифракционных данных, моделирование дифрактограмм и кривых РРЭП выполнены лично автором. Обсуждение результатов, написание и оформление диссертации и публикаций проводились совместно с научным руководителем и соавторами.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: 2-я Международная школа-конференция молодых ученых по катализу (Алтай, 2005), 8-й Международный симпозиум «Порядок в металлах и сплавах», ОМА-2005 (Сочи, 2005), 10-я Европейская конференция по порошковой дифракции EPDIC-10 (Женева, Швейцария, 2006), II Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2007 (Новосибирск, 2007), Всероссийская конференция «Современные подходы к проблемам физикохимии и катализа»

(Новосибирск, 2007), 10-й и 11-й Международные симпозиумы «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», ODPO-10, 11 (Сочи, 2007, 2008), III Международная конференция «Катализ: теория и практика» (Новосибирск, 2007), XVII Международная конференция по синхротронному излучению SR-2008 (Новосибирск, 2008).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 6 статьях и 9 тезисах докладов и материалах конференций.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах, содержит 54 рисунка и 20 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы (132 наименования) и двух приложений.

Работа выполнена в соответствии с общим планом научно-исследовательских работ СО РАН по теме 15.1 «Строение и свойства молекул, наноструктур, веществ и материалов. Аналитические методы и методы и методы определения свойств материалов» и была поддержана аспирантской стипендией имени академика К.И. Замараева ИК СО РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит обоснование актуальности работы и выбора исследуемых объектов, формулировку цели, задач исследования и основных положений, выносимых на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор, который состоит из трех частей.

Прежде всего, рассмотрены известные данные о кристаллических структурах наиболее широко используемых гидроксидов алюминия (гиббсита, байерита, бемита), каждый из которых имеет слоистую структуру. Существуют работы, в которых предполагается присутствие различных нарушений в этих структурах, исходя из особенностей их дифракционных картин. Однако наличие такого рода дефектов не было подтверждено теоретическими расчетами. Особое внимание в литературе уделяется технологии получения, свойствам и структуре псевдобемита – одному из основных продуктов промышленного катализа. Относительно его структуры существует несколько противоречивых точек зрения, поскольку при ее изучении возникают сложности, обусловленные высокой дисперсностью этого гидроксида (удельная поверхность составляет 120-450 м2/г).

Далее приведены представления о структуре различных модификаций оксида алюминия. Они рассматривались большим числом авторов, и в литературе встречаются различные мнения об их структуре, поскольку из-за дисперсности и зависимости структуры и свойств от условий получения они являются сложными объектами.

Глава заканчивается обзором основных методов получения оксидов алюминия:

метод осаждения, золь-гель метод и метод импульсной термической активации гиббсита.

Во второй главе рассмотрены использованные в работе рентгенографические методики, которые позволяют получить информацию о структуре дисперсных и дефектных веществ. Метод уточнения кристаллических структур по Ритвельду дает информацию о средней атомной структуре порошковых материалов. С помощью метода моделирования дифракционных картин одномерно разупорядоченных материалов и 1D наноструктур можно рассмотреть влияние дефектов упаковки, микроискажений на дифракционную картину. Методика моделирования дифракционных картин высокодисперсных веществ используется для установления особенностей на рентгенограммах в случае малого размера частиц. Метод радиального распределения электронной плотности (РРЭП) позволяет получить информацию о ближнем порядке, который присутствует и в случае аморфных веществ из-за направленности химической связи. Возможно получение кривых РРЭП из дифракционного эксперимента, а также с использованием известных структурных данных можно построить модельные кривые РРЭП.

В третьей главе приведены результаты моделирования дифракционных картин и кривых РРЭП гидроксидов и оксидов алюминия.

Проанализировано влияние на дифракционные картины гидроксидов алюминия дефектов структуры, обсуждаемых в литературе, а также рассмотрены иные кристаллохимически возможные варианты. Анализировались следующие факторы:

размер и форма частиц;

микроискажения 1-го и 2-го рода в межслоевых расстояниях и в плоскости слоя;

дефекты чередования слоев для байерита и гиббсита;

дефекты смещения слоев в плоскости hk0 тригидроксидов и в плоскости h0l У псевдобемита первый максимум 020 сдвигается в сторону меньших углов с уменьшением количества слоев в кристаллите (рис. 1). Это происходит в основном из-за изменения факторов Лоренца и поляризации. Для широких пиков, находящихся на малых углах, значение этого фактора значительно изменяется для разных точек пика, что приводит к смещению максимума. Атомный фактор рассеяния также меняется в области малых углов, и это изменение может оказывать влияние на положение широких максимумов, находящихся в этой области.

Использование графика, приведенного на рис. 2, позволяет корректно определять межплоскостное расстояние в этом направлении, которое иначе получается завышенным.

Показано, что модель с азимутальным разворотом слоев, которая обсуждалась в литературе, не описывает экспериментальные дифракционные картины бемитов и псевдобемитов. Однако, появление небольшого количества таких дефектов (с вероятностью 0,1 или с небольшим углом поворота), не оказывает значительного влияния на дифракционную картину. То же можно сказать о дефектах смещения слоев в плоскости (101) бемита в случае малых смещений или смещений с вероятностью 0,1. Отсюда следует, что нельзя исключить присутствие таких дефектов в мелких частицах, если основываться только на рентгенографических данных. При более высоких концентрациях дефектов смещения слоев в плоскости (101) в структуре псевдобемита изменяется интенсивность рефлексов, которые описывают отражения в направлении смещения и появляются новые дифракционные пики. Их интенсивность растет с ростом величины смещения и вероятности появления дефекта, а положение не зависит от этих параметров. Смещения и повороты слоев не приводят к изменению интенсивности или смещению максимума 020 псевдобемита, т.е. не объясняют экспериментально наблюдаемые эффекты.

Дефекты смещения слоев на вектор 1/3 a у гиббсита и на 1/3 b у байерита кристаллохимически возможны, благодаря тому, что при таких смещениях заполненные октаэдры смещенного слоя оказываются над пустыми октаэдрами предшествующего слоя. На дифракционной картине размываются пики в области 20 – 35 по 2 (рис. 3).

Рис. 1. Сравнение модельных дифрактограмм бемита для кристаллитов с Dh0l = 50 и числом слоев nk = 5 (1), Рис. 3. Сравнение модельных дифрактограмм c разными вероятностями появления смещенных слоев W2 гиббсита со смещением слоев в кристаллитах на 1/3a (а) и байерита со смещением слоев в кристаллитах на 1/3 b (б), Dhk0 = 500, количество слоев nl = 100.

Рис. 4. Сравнение влияния на дифракционную картину дефектов смещения слоев на величину 1/6 b для структуры байерита (а) и 1/6 a для структуры гиббсита (б) c вероятностью 0,1 и микроискажений 2-го рода в тех же направлениях Если смещать слои тригидроксидов так, чтобы центры октаэдров смещенного слоя находились между центрами октаэдров исходного (вектора смещения 1/6 a у гиббсита и 1/6 b у байерита), часть пиков - с индексами 0kl у гиббсита и h0l у байерита – остаются на дифрактограмме неизменными, а остальные уширяются.

Изменения на картине при этом сходны с изменениями в случае микроискажений 2-го рода в направлении [100] у гиббсита и [010] у байерита. Различаются они в том, что при наличии дефектов смещения слоев изменяются положения максимумов на 27- по 2 на дифрактограмме (рис. 4).

В регулярной слоистой структуре байерита АВАВ… случайным образом могут появляться фрагменты типа …АВС…. Возникновение таких дефектов приводит к изменению соотношения интенсивностей пиков на дифрактограмме и росту максимумов диффузного рассеяния (рис. 5). Последовательность АВСВАВ из гиббситных пакетов приводит к изменению относительной интенсивности линий, росту новых слабых максимумов (рис. 6).

В табл. 1 приведены рассмотренные смещения и перечислены пики, которые изменяются и возникают в случае наличия таких смещений.

С использованием структурных данных из картотеки ICSD были получены модельные кривые РРЭП для основных гидроксидов алюминия: бемита (ICSD, № 200599), байерита (№ 26830) и гиббсита (№ 6162). Кроме общих кривых, слоев байерита со смещением пакета на 1/3 слоев гиббсита со смещением пакетана 1/ а с вероятностью 0,2 (1) и без дефектов (2). b с вероятностью 0,5 (1) и без дефектов (2).

Влияние дефектов смещения слоев на дифракционные картины Гидроксид Направление смещения Пики, интенсивность которых изменяется рассчитаны парциальные кривые РРЭП показывающие вклад отдельных расстояний в общую кривую: Аl–Al, Al–O, Al–OH, O–O. Поскольку все гидроксиды алюминия имеют слоистую структуру, были получены парциальные кривые, показывающие вклад межслоевых и внутрислоевых расстояний в их структуру.

Получены также модельные кривые РРЭП для следующих оксидов алюминия:

(№ 73724), (№ 66559 и 953020), (№ 39104), (№ 82504), (№ 40200) и (№ 84375). Приведены общие кривые и парциальные для отдельных типов расстояний: Al–Al, Al–O и О–О.

Известно, что в низкотемпературных оксидах алюминия возможно заполнение катионами как шпинельных (тетраэдрические A (8а) и октаэдрические В (16d)), так и нешпинельных позиций (тетраэдрические A* (8b) и октаэдрические B* (16c)).

В связи с этим нами были получены модельные кривые РРЭП, учитывающие разную занятость этих типов позиций.

В четвертой главе рассмотрены структурные особенности образцов гидроксидов и оксидов алюминия, полученных по различным технологиям. В табл. Рис. 7. Дифрактограммы кристаллического бемита (1) и образцов псевдобемита: МКБ (2), ПБ-П (3), ПБ-1(4) и ПБ-2 (5) соотношения интенсивностей пиков по сравнению с рентгенограммой, характерной для кристаллического бемита.

Характеристики образцов псевдобемита. d020 и d*020– межплоскостные расстояния, определенные по положению пика 020, без поправки и с поправкой на факторы Лоренца и поляризации, соответственно; Sуд – удельная площадь поверхности, ППП – потери при прокаливании Образец d020 () Исходя из формы дифракционных пиков образца МКБ (узкая вершина и широкое основание) и по данным электронной микроскопии о наличии в образце относительно мелких частиц игольчатой формы и крупных пластин (рис. 8), сделан вывод, что этот образец состоит из двух фракций: около 80% частиц имеют размеры 50-60 и около 20% частиц – 350. Уточнение структуры этого образца проводилось как по общей интегральной интенсивности пиков, так и отдельно для высокодисперсной фракции (табл. 3).

По результатам уточнения структуры различных образцов псевдобемита и мелкокристаллического бемита по интегральным интенсивностям установлено, что относительная интенсивность максимума 020 псевдобемита уменьшается при введении дополнительного атома кислорода в межслоевое пространство (рис. 9). Это приводит к существенному снижению факторов недостоверности. Заселенность этой выявленной дополнительной позиции удовлетворительно соответствует содержанию избыточного количества (по сравнению со стехиометрией бемита) молекул воды в конкретных образцах псевдобемита (т.к., например, обозначение содержания воды в образце ПБ-1 по данным табл. 2 (Al2O3*1,4Н2О), можно также записать в виде AlOOH*0,2H2O). Однако при этом возникают слишком короткие расстояния О–О с новым атомом, т.е. дополнительные молекулы воды не могут располагаться в межслоевом пространстве, не нарушая регулярную структуру бемита. Поэтому либо этот атом должен находиться на поверхности наночастицы, либо соседний слой должен сместиться на необходимое расстояние (до 15 ). В этом случае второй слой следует рассматривать как принадлежащий соседнему блоку, т.к. нерегулярные отклонения межслоевого расстояния на 15 по сравнению с регулярным расстоянием, составляющим около 12,2-12,5, приводят к нарушению в когерентности рассеяния двух соседних слоев.

Результаты уточнения структуры псевдобемитов с введением дополнительного атома. R0 и R –факторы недостоверности до и после уточнения пики широкие 31,2 11, пики Рис. 8. Микрофотография образца МКБ Рис. 9. Элемент структуры бемита Таким образом, показано, что среднее межплоскостное расстояние d не связано напрямую с содержанием дополнительных молекул воды в образцах.

Увеличенные межслоевые расстояния, в которых размещаются дополнительные молекулы воды, не дают вклада в средние межплоскостные расстояния, поскольку слои перестают рассеивать когерентно.

Введя поправку, учитывающую влияние факторов Лоренца и поляризации на положение пика 020 псевдобемита, мы, тем не менее, получили, что межплоскостное расстояние d020 увеличивается у псевдобемитов с увеличением поверхности и уменьшением размера частиц. Очевидно, что, например, при величине поверхности 450 м2/г практически все «лишние» молекулы воды будут на внешней поверхности очень маленьких кристаллических блоков. Можно полагать, что межплоскостное расстояние d020 определяется размерами частиц и/или влиянием поверхностных атомов (адсорбированных молекул воды).

Интенсивность максимума 020 зависит также от координаты атома кислорода О по у. По результатам уточнения получается, что в структуре псевдобемитов за счет изменения положения атома кислорода по сравнению со структурой кристаллического бемита увеличиваются расстояния Al–O и уменьшаются расстояния Al–ОН в плоскости октаэдра с уменьшением размеров частиц. Этот результат согласуется с результатами уточнения структуры псевдобемита, имеющимися в литературе.

высокодисперсных веществ показано, что образец ПБ-2 состоит из пластинчатых частиц с толщиной в один период решетки в направлении [010], что приводит к исчезновению максимума 020 на его дифракционной картине, а наблюдающийся в этом случае малоуголовой пик является сателлитным максимумом пика (рис. 10). Этот результат согласуется с данными электронной микроскопии о том, что образец состоит из агрегатов очень тонких пластинчатых частиц (рис. 11).

На рис. 12 приведены экспериментальные кривые РРЭП рассмотренных гидроксидов в сравнении с модельной для кристаллического бемита. Методом РРЭП показано, что с уменьшением размеров частиц происходит понижение пиков, соответствующих межатомным расстояниям между слоями. Кривая РРЭП ПБ- хорошо совпадает с модельной кривой для однослойных частиц с размытыми пиками Рис. 10. Теоретическая рентгенограмма кристаллического бемита (1), для кристаллитов бемита с числом ячеек вдоль и экспериментальная для образца ПБ-2 (3) Рис. 12. Модельная кривая кристаллического бемита (1) и экспериментальные кривые РРЭП исследованных гидроксидов: МКБ (2) ПБ-П (3); ПБ-1 (4); ПБ-2 (5) межслоевых расстояний (рис. 13). Совпадение результата для образца ПБ-2, полученное двумя рентгенографическими методами: методом РРЭП и методом моделирования дифракционных картин, свидетельствует о правильности модели однослойных частиц.

Увеличение межслоевого расстояния и растяжение ячейки в направлении наложения слоев не приводят к изменениям, наблюдающимся на экспериментальных кривых, поэтому был сделан вывод, что меняется структура в слое псевдобемита за счет образования новых связей с дополнительными молекулами воды.

Был рассмотрен образец дисперсного гиббсита, при получении которого проводили диспергацию и разупорядочение кристаллической структуры исходного кристаллического гиббсита путем интеркаляции и деинтеркаляции водных растворов солей лития. Предложена модель, состоящая из 3-х чередующихся типов слоев – двух гиббситных (73%) и байеритного (27%), которая хорошо совпадает с экспериментом.

Кроме того, в образце присутствуют микроискажения 2-го рода в направлениях [001] и [100] (т.е. они находятся в плоскости пакета), поскольку перестройка гиббситной структуры в байеритную требует изменения параметров ячейки а и b. По нашему мнению, такая модель должна приниматься во внимание, как альтернативная модели двухфазной системы. Данные электронной микроскопии также показывают, что в образце присутствуют слоистые частицы с дефектной структурой.

Рис. 14. Дифрактограммы -Al2O3, позиции, A и B – шпинельные полученных по разным технологиям: позиции), полученной ранее из данных 1) – из ПБ-2; 2) – из ПБ-П; 3) – из МКБ; полнопрофильного анализа, для псевдобемита (рис. 15). Кривые РРЭП образцов оксидов из МКБ и ПБ-П, хорошо совпадают с модельной, рассчитанной для соотношения занятости катионных позиций для бемитного оксида – А*1.75А5.50B*2.00B9.00O22.75(ОН)9.25 (рис. 16). Таким образом, ближний порядок оксидов, полученных из бемитов с размерами частиц больше 40, уже соответствует ближнему порядку оксида, полученного из кристаллического бемита. У всех рассмотренных оксидов занято некоторое количество нешпинельных позиций. У оксидов, синтезированных из ПБ-1 и ПБ-2, преимущественно заняты катионами тетраэдрические позиции, а в оксидах, предшественниками которых являются ПБ-П и МКБ – октаэдрические позиции.

Рис. 15. Сравнение кривых РРЭП образцов -Al2O3, полученных из ПБ-2 (1) и ПБ-1 (2) с модельной кривой, рассчитанной для структуры А*1.75А6.75B*1.00B9.00O23.5(ОН)8.5 (3) Пятая глава посвящена рентгенофазовому анализу продуктов, полученных в процессе ЦТА гиббсита. Была отработана методика количественного анализа этих продуктов. Для анализа смесей гидроксидов алюминия выбран метод построения градуировочных графиков как наиболее простой и экспрессный. В этом методе используются графики, предварительно построенные по дифракционным картинам от механических смесей предполагаемых оксидов в координатах I1 / I2 = f(х), где I1, I2 – интенсивности пиков разных фаз, х-концентрация одной из фаз в материале.

В зависимости от условий проведения процесса гидроксидная составляющая продукта ЦТА-обработки гиббсита может содержать гиббсит, аморфную фазу, кристаллический бемит и псевдобемит. Продукт после последующего автоклавирования может содержать псевдобемит, кристаллический бемит, гиббсит и аморфную фазу, а после гидратации – гиббсит, аморфную фазу, псевдобемит, кристаллический бемит и байерит. Исходя из этого, были приготовлены механические смеси с заданным количеством чистых фаз гиббсита, байерита, псевдобемита, кристаллического бемита и аморфной фазы. Предварительно были отобраны эталонные образцы этих веществ, соответствующие данным международной рентгенографической картотеки для порошковых материалов, которые и использовались для получения механических смесей. При построении градуировочных графиков для каждой системы использовали соотношения интенсивностей определенных линий, относящихся к разным фазам системы, при этом выбирались близлежащие, достаточно интенсивные аналитические линии каждой фазы. Графики строились для бинарных смесей, но с помощью решения системы линейных уравнений можно определять количественное содержание фаз и в многокомпонентных смесях.

Для высокодисперсных фаз, таких как псевдобемит и аморфная фаза, точность определения интенсивности мала и составляет 10 относительных процентов. В случае кристаллических фаз точность определения составляет около одного процента.

Проведено изучение локальной структуры продукта ЦТА методом РРЭП в сравнении с продуктом термохимической активации (ТХА) гиббсита. Оба продукта в основном представляют -подобную ЦТА, в отличие от продукта ТХА, высокодисперсная фаза байерита или от условий получения (рис. 17).

Присутствие этих фаз объясняет особенности регидратации этих двух продуктов: в начале регидратации продукта ЦТА образуется фаза байерита, а для продукта ТХА – фаза На всех этапах процесса ЦТА для продуктов ТХА (1) и ЦТА гиббсита (2) характеристики продуктов в ходе и модельная кривая байерита (3).

подбора условий для синтеза Стрелками показаны пики фазы байерита, гидроксидов байерита и псевдобемита с присутствующей в ЦТА-продукте хорошим выходом проводился рентгенофазовый анализ. Гидроксиды алюминия, синтезированные гидратацией ЦТА-продуктов, и оксиды, формирующиеся при их термической обработке, несколько отличаются по своим характеристикам от осажденных гидроксидов и полученных из них оксидов.

ВЫВОДЫ

1. Впервые выполнен теоретический анализ влияния характерных нарушений кристаллической структуры гидроксидов алюминия (гиббсита, байерита, бемита) на их дифракционные картины с учетом следующих факторов: форма частиц, микроискажения и дефекты упаковки слоев. Установлены дифракционные проявления, позволяющие идентифицировать эти микроструктурные особенности и дефекты.

2. Рассчитаны общие и парциальные модельные кривые радиального распределения электронной плотности (РРЭП) гидроксидов и оксидов алюминия, показывающие вклады отдельных групп межатомных расстояний в результирующие модельные кривые РРЭП. Сравнение полученных кривых с экспериментальными позволяет выявить особенности локальной структуры этих объектов в связи с их химическими свойствами.

3. Исследованы атомная структура и микроструктура высокодисперсных образцов псевдобемита AlOOH*nH2O (удельная поверхность 128-450 м2/г), полученных по различным технологиям. Установлены кристаллографические позиции в их структуре, которые могут занимать дополнительные атомы. Показано, что, вопреки распространенному в литературе мнению, молекулы воды или OH-группы не могут располагаться в межслоевом пространстве структуры псевдобемита, не нарушая ее регулярности. Положение пика 020 не может использоваться для определения содержания дополнительных молекул воды в псевдобемите. Эти молекулы могут размещаться в межкристаллитных границах и на поверхности высокодисперсных частиц.

4. Объяснены особенности дифракционной картины образца псевдобемита, полученного по золь-гель технологии, и установлена его микроструктура.

Показано, что исчезновение дифракционного пика 020 и появление нового максимума, являющегося сателлитным максимумом малоуглового дифракционного пика 000, обусловлено формой частиц (областей когерентного рассеяния), представляющих собой тонкие пластинки с толщиной в один период кристаллической решетки (около 12,2 ) по направлению [010] и размерами в плоскости слоя около 50-100. Пластины собраны в агрегаты с размерами 5. Методом радиального распределения электронной плотности показано, что для оксидов -Al2O3, полученных из гидроксидов с размерами частиц менее 40, характерно преобладание вакансий в октаэдрических позициях катионной подрешетки их шпинельной структуры; в образцах, полученных из гидроксидов с размерами частиц 50-100, в большей степени вакантны тетраэдрические позиции. Во всех исследованных образцах -Al2O3, помимо основных позиций катионов, характерных для структуры шпинели, частично заняты дополнительные октаэдрические и тетраэдрические позиции плотной упаковки ионов кислорода.

6. Разработана методика количественного фазового анализа для смесей гидроксидов алюминия, полученных из продукта центробежной термоактивации (ЦТА) гиббсита. Операции с подбором эталонов, выбором линий обеспечивают точность определения кристаллических фаз около 1 %, аморфных и высокодисперсных фаз – около 10 %. Проведенный на всех технологических этапах ЦТА гиббсита рентгенофазовый анализ позволил установить последовательность происходящих химических превращений и был необходим для оптимизации данного процесса. Обнаружение рентгеноаморфных фаз байерита и псевдобемита выполнено методом РРЭП.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Шефер К.И., Зюзин Д.А., Мороз Э.М. Новые данные о структуре высокодисперсного гидроксида алюминия // Изв. РАН Сер. физ. – 2006. – Т. 70, № 4. – С. 1068-1070.

2. Moroz E.M., Shefer K.I., Zyuzin D.A., Ivanova A.S., Kulko E.V., Goidin V.V., Molchanov V.V. Local structure of pseudoboehmites // React. Kinet. Catal. Lett. – 2006. – V. 87, № 2. – Р. 367-375.

3. Кулько Е.В., Иванова А.С., Кругляков В.Ю., Мороз Э.М., Шефер К.И., Литвак Г.С., Крюкова Г.Н., Танашев Ю.Ю., Пармон В.Н. Получение оксидов алюминия на основе продуктов быстрого терморазложения гидраргиллита в центробежном флеш-реакторе. II Структурные и текстурные свойства гидроксида и оксида алюминия, получаемых на основе продукта центробежно-термической активации гидраргиллита (ЦТА-продукта) // Кинетика и катализ. – 2007. – Т. 48, № 2. – С. 332-352.

4. Мороз Э.М., Зюзин Д.А., Шефер К.И. Метод построения модельных кривых радиального распределения электронной плотности // ЖСХ. - 2007. – Т. 48, № 2.

– С. 269-273.

5. Мороз Э.М., Зюзин Д.А., Шефер К.И., Исупова Л.А. Модельные кривые радиального распределения электронной плотности оксидов и гидроксидов алюминия // ЖСХ. – 2007. – Т. 48, № 4. – С. 754-756.

6. Shefer K.I., Moroz E.M., Isupova L.I., Kharina I.V., Tanashev Yu.Yu. RDF method application to phase analysis of X-Ray amorphous products of gibbsite thermal activation // Z. Kristallogr. – 2007. – Suppl. 26. – P. 279-282.

7. Шефер К.И., Зюзин Д.А., Мороз Э.М., Иванова А.С. Локальная структура псевдобемитов // 2-я Международная Школа-конференция молодых ученых по катализу: Сборник тезисов. – Новосибирск-Алтай, 2005. – C. 330.

8. Мороз Э.М., Шефер К.И., Зюзин Д.А. Локальная структура псевдобемитов // 8-й международный междисциплинарный симпозиум «Порядок в металлах и сплавах», ОМА – 2005: Труды симпозиума. – Ростов-на-Дону – п. Лоо, Россия, 9. Shefer K.I., Moroz E.M., Zyuzin D.A., Isupova L.A. RDF method application to phase analysis of X-Ray amorphous products of gibbsite thermal activation // 10th European powder diffraction conference EPDIC-10: Book of abstracts. – Geneve, Switzerland, 10. Шефер К.И., Цыбуля С.В., Черепанова С.В., Мороз Э.М. Рентгенографическое исследование нанокристаллических гидроксидов алюминия // II Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2007: Сборник тезисов. – Новосибирск, 11. Шефер К.И., Мороз Э.М., Харина И.В. Структурные особенности исходных и гидратированных продуктов термического разложения // Всероссийская конференция «Современные подходы к проблемам физикохимии и катализа»:

Тезисы докладов. – Новосибирск, Россия, 2007. – С. 114.

12. Шефер К.И., Мороз Э.М. Моделирование кривых радиального распределения электронной плотности оксидов и гидроксидов алюминия // 10-й международный междисциплинарный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», ODPO–10: Труды симпозиума. – Ростов-на-Дону – п. Лоо, Россия, 2007. – Т.3. – С. 215.

13. Kolko V.P., Moroz E.M., Zyuzin D.A., Shefer K.I., Kogan V.A. The application of WAXS method for characterisation of phase composition and local structure of multicomponent highly dispersed systems // III International Conference “Catalysis:

Fundamentals and Application”: Abstracts. – Novosibirsk, Russia, 2007. – P. 262.

14. Шефер К.И., Мороз Э.М., Зюзин Д.А. Исследование локальной структуры гидроксидов и оксидов алюминия, полученных разными методами // XVII Международная конференция по синхротронному излучению SR-2008: Тезисы докладов. – Новосибирск, 2008. – С. 2-24.

15. Яценко Д.А., Шефер К.И., Мороз Э.М., Цыбуля С.В Особенности дифракции от порошка высокодисперсного псевдобемита с пластинчатой формой частиц // 11-й международный междисциплинарный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», ODPO-11: Труды симпозиума. – Ростов-на-Дону – п. Лоо, Россия, 2008. – С. 210-213.

АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ В СТРУКТУРАХ ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ

АЛЮМИНИЯ НА ОСНОВЕ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Подписано в печать 14.10.2008. Заказ № 81.

Формат 60х90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Типография Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН