На правах рукописи

КОЛМОГОРЦЕВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНОГО

ДИОКСИДА ТИТАНА ИЗ ТЕТРАБУТОКСИТИТАНА

Специальность 02.00.21 – химия твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Челябинск-2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет»

и ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Научный руководитель: кандидат химических наук Жеребцов Дмитрий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Толчев Александр Васильевич доктор химических наук Авдин Вячеслав Викторович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

Защита состоится « 24 » декабря 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.295.06 при ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» и ГОУ ВПО «Челябинский государственный университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 69, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Челябинского государственного педагогического университета

Автореферат разослан « _ » «_» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент Свирская Л.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нанодисперсные системы с размером частиц от нескольких единиц до сотен нанометров по сравнению с крупнокристаллическими аналогичными объектами обладают специфическими, а в ряде случаев уникальными физико-химическими свойствами. Типичными представителями нанодисперсных систем являются нанодисперсные оксиды, в частности TiO2, широко применяющийся в различных областях науки и техники – от производства пигментов и косметологии до фотонной электроники и представляющий интерес для применения в сенсорах, фотокатализе, ячейках солнечных батарей. Новые материалы требуют не только малого размера кристаллов, но и возможности создания на их основе пористых структур с заранее заданными свойствами. Большие возможности в этом представляет метод матричного синтеза. За последние годы были предложены различные модификации матричного (темплетного) синтеза для получения мезопористого TiO2. Однако управление размером и формой частиц и пор диоксида титана до сих пор является сложной задачей, что обусловлено трудностью контроля процессов образования геля TiO2 и его кристаллизации. В связи с этим, сведения о взаимосвязи условий синтеза и свойств конечных продуктов представляют особый интерес и прикладное значение.

Целью работы являлось получение нанодисперсного TiO2 из тетрабутоксититана (ТБТ) с использованием различных поверхностно-активных веществ (ПАВ) и исследование структуры и физико-химических свойств синтезированных образцов.

Основные задачи:

1. Разработка оригинальной установки и методики для исследования взаимодействия систем «ТБТ – растворитель», «ПАВ – растворитель», «ТБТ – ПАВ – растворитель» по их оптическим и электрическим свойствам.

2. Разработка методики получения нанодисперсного TiO2 из ТБТ с использованием неионогенных или катионных ПАВ (полиоксиэтилированный (10) изооктилфенол (ОП-10), полиоксиэтилированное (7) гидрогенизированное касторовое масло (ПГК), полиоксиэтилированный (12) цетилстеариловый спирт (ПЦС), полигидрокси (12) полистеарат глицерина (ППГ), бромид цетилтриметиламмония (СТАВ)), поиск оптимального растворителя для проведения матричного синтеза в многокомпонентной системе «ТБТ – ПАВ – растворитель».

3. Термоаналитическое изучение состава промежуточных продуктов синтеза и определение оптимальных условий их прокаливания.

4. Изучение структуры и свойств полученных материалов методами электронной микроскопии, рентгенографии, дифференциального термического анализа, термогравиметрии, ИК- и масс-спектроскопии.

5. Разработка установки и методики для получения наночастиц TiO пиролизом ТБТ.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые объяснены особенности процессов диффузии и взаимодействия компонентов в системах «ОП-10 – этанол», «ОП-10 – вода», «ТБТ – этанол» и «ТБТ+ОП-10 – вода».

2. Впервые по данным измерений электропроводности и оптическим данным оценена относительная скорость диффузии в системах «ОП-10 – вода» и «ОП-10 – этанол». Показано, что скорость диффузии воды сквозь в десятки раз более вязкий слой жидкокристаллической фазы в системе «ОП-10 – вода» всего лишь в 1,7 раза меньше, чем скорость диффузии этанола в системе «ОП-10 – этанол».

3. Впервые оценена относительная скорость диффузии в системе «ТБТ+ОП-10 – вода» и показано, что введение ОП-10 в ТБТ резко увеличивает скорость гидролиза ТБТ и скорость диффузии воды сквозь образующийся реакционный/диффузионный слой.

4. Впервые по данным совмещенного термического анализа объяснен многоступенчатый механизм термолиза промежуточных органическонеорганических продуктов гидролиза ТБТ.

';

5. Впервые проведен синтез наноматериалов в тройных системах «ТБТ – ПАВ – водно-спиртовой раствор» с использованием в качестве ПАВ ОП-10, ПГК, ПЦС, ППГ, СТАВ.

6. Показано, что введение ПАВ при гидролизе тетрабутоксититана в смеси воды и этанола позволяет управлять структурой, размером кристаллов и свойствами получаемого материала.

7. Обнаружена обратная зависимость размера кристаллов от количества ПАВ в растворе. Показано, что в условиях синтеза можно получать метастабильную анатазную форму диоксида титана.

8. Определена величина адсорбционной емкости наноматериалов на основе TiO2 по отношению к бензолу и оценена их удельная площадь поверхности.

9. Впервые пиролизом ТБТ получены наноразмерные частицы диоксида титана как в виде сплошных, так и полых сфер.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработана оригинальная многоэлектродная ячейка и методика для проведения экспериментов по встречной диффузии двух жидкостей, использующая измерение электропроводности по высоте диффузионного слоя и получение изображений этого слоя в поляризованном свете. Разработанная ячейка продемонстрировала высокую эффективность и может быть рекомендована к изучению диффузии и взаимодействия в других системах.

2. Разработан метод измерения свойств реакционной зоны, который может быть внедрен для определения скорости протекания реакции гидролиза ТБТ и подобных ей реакций.

3. Разработана установка и метод получения наночастиц диоксида титана сферической формы путем сжигания ТБТ.

4. Разработан метод получения диоксида титана в виде полых микросфер путем сжигания ТБТ.

5. Получены материалы, представляющие практическую ценность для внедрения в качестве пигментов, адсорбентов и катализаторов.

6. По результатам исследования подана заявка на патент на способ получения пигментного диоксида титана (заявка №2009116965, приоритет от 4.05.2009 г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Измерительная установка, методика и результаты комплексного анализа процесса встречной диффузии систем «ОП-10 – вода», «ОП-10 – этанол», «ТБТ – этанол», «ОП-10+ТБТ – вода».

2. Методика синтеза и результаты исследования структуры и свойств наноматериалов на основе диоксида титана, полученных в системах «ТБТ – ПАВ – этанол» с использованием в качестве ПАВ ОП-10, ПГК, ПЦС, ППГ, CTAB.

3. Механизм термолиза промежуточных органическо-неорганических продуктов гидролиза ТБТ.

4. Методика синтеза и результаты исследования структуры образцов, полученных пиролизом ТБТ.

Личный вклад соискателя:

Разработка конструкции измерительной ячейки, создание и калибровка ячейки, экспериментальные исследования с ее помощью. Непосредственное проведение синтеза образцов наноматериалов, изучение их структуры и свойств. Обработка экспериментальных результатов и формулировка выводов.

Публикации и апробация результатов диссертации:

По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 статей в журналах, которые по решению ВАК включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, и 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались: на ежегодных конференциях по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ (2008, 2009, 2010 гг., Челябинск); научно-практической конференции «Индустрия наносистем и материалов. Химия, новые материалы, металлургия» ЮУрГУ (2007 г., Челябинск); 60-й юбилейной научной конференции «Наука ЮУрГУ» (2008 г., Челябинск); научно-технической конференции с международным участием «V Ставеровские чтения. Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение» (Красноярск:

СФУ, 2009 г.); 7-м семинаре СО РАН – УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск, 2010); XIII Международной научнотехнической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» (Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2010); VII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы» (Сыктывкар: Коми научный центр УрО РАН, 2010).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Материал изложен на 164 страницах текста и содержит 6 таблиц и 76 рисунков, список литературы включает 275 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются основная цель и задачи диссертационного исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, обозначен личный вклад соискателя, приведены структура диссертации и результаты апробации работы.

В первой главе проведен обзор литературы по представленной проблеме. Рассмотрена классификация и основные методы получения наноматериалов. Проанализирована методика матричного синтеза и обсуждены ее основы: поверхностно-активные вещества, мицеллообразование, диаграммы состояния систем «вода – масло – поверхностно-активное вещество». Показаны особенности и преимущества матричного синтеза над остальными способами получения наноразмерных материалов. Особое внимание уделено диоксиду титана, его кристаллической структуре, химическим свойствам, областям применения, методам синтеза нанодисперсного TiO2. В конце главы обозначены цели и задачи исследования.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования, а также методики проведения экспериментов.

Образцы нанодисперсного диоксида титана получали методом матричного синтеза с применением ПАВ для формирования матрицы.

Для оценки чистоты полученные материалы были проанализированы на содержание железа как основной примеси методом атомно-эмиссионной спектроскопии в индуктивно-связанной плазме на приборе ARL-3410.

Для комплексного анализа состава промежуточных органическонеорганических рентгеноаморфных гелей на основе гидролизованного тетрабутоксититана и определения оптимальных условий их дальнейшей прокалки использовали совмещенный термический и термогравиметрический метод с масс- и ИК-спектрометрическим анализом выделяющихся газов. Для этого применялся прибор синхронного термического анализа Netzsch 449C «Jupiter», совмещенный с приборами для анализа выделяющихся газов: квадрупольным масс-спектрометром Netzsch QMS 403C «Aeolos» и Фурье-ИКспектрометром Bruker «Tensor 27» с газовой ячейкой. Нагрев образца осуществляли со скоростью 10 °С/мин на воздухе до температуры 1100 °С. Дополнительно ИК-спектры порошков исследуемых образцов в области волновых чисел 400–4000 см-1 получены на Фурье-ИК-спектрометре Bruker «Tensor 27»

в режиме съемки на пропускание в матрице KBr.

Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-3.0 с фокусировкой по схеме Брегга-Брентано (CoK- и CuK-излучения). Электронномикроскопические исследования проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа Jeol JSM6460 LV при увеличении до х25000 при ускоряющем напряжении 20 кВ, а также с использованием просвечивающего электронного микроскопа Jeol JEM2100 при напряжении 180 кВ и увеличении до x1000000.

Удельную площадь поверхности полученного нанодисперсного материала оценивали по величине адсорбции паров бензола из газовой фазы. Разработана и обоснована модифицированная методика, в которой использованы основные положительные приемы, используемые для определения сорбционных свойств активированных углей.

Для изучения кинетики взаимодействия компонентов изучаемых систем (ПАВ – растворитель, ТБТ – растворитель, ТБТ+ПАВ – растворитель) проведены эксперименты по встречной диффузии в данных системах.

Для изучения процессов диффузии и взаимодействия жидкостей сконструирована и изготовлена оригинальная измерительная ячейка с объемом кюветы 80х50х6 мм (рис. 1). Плоскопараллельная ячейка позволяет одновременно измерять электропроводность растворов в диффузионной области высотой 80 мм на границе раздела Рис. 1. Схема ячейки для измерения элек- (0,0001-0,01) мас.%. Одноврементропроводности и наблюдения оптичено с измерениями электропроводских свойств диффузионной области при наблюдению границ диффузионного слоя имеется возможность более обоснованного выявления особенностей диффузионной области и обнаружения оптически активных жидкокристаллических фаз, вращающих плоскость поляризации света. Кроме того, по фотографическим изображениям оценивали скорость распространения диффузионного слоя и проводили анализ распределения окрашенной примеси по высоте ячейки по оптической плотности растворов.

Третья глава посвящена исследованию взаимодействия компонентов систем «ОП-10 – вода», «ОП-10 – этанол», «ТБТ – этанол» и «ТБТ + ОП-10 – вода» с целью выбора оптимальных условий синтеза наноматериалов. Исследовали электропроводность и оптические свойства указанных систем в процессе встречной диффузии составляющих их компонентов. Для регистрации данных использовали описанную выше оригинальную измерительную ячейку.

Система «ПАВ – растворитель». В качестве ПАВ использовался ОПвязкая жидкость с рН раствора 7), а в качестве растворителя - дистиллированная вода или этиловый спирт с 3,4 мас. % воды. В нижнюю часть измерительной ячейки заливали ПАВ, затем растворитель по стенке тонкой струйкой в верхнюю часть так, чтобы не вызвать перемешивания.

Полученные данные по электропроводности в системе «ОП-10 – вода»

представлены на рис. 2. Ось абсцисс соответствует расположенным по вертикали ячейки электродам с расстоянием между ними 2 мм, причем слева находится верхняя часть электродов. В течение 61 суток максимальная электропроводность диффузионного слоя возрастает от 2,2 до 22,9 мкСм/см, положение максимума электропроводности смещается в сторону растворов с более высоким содержанием ОП-10, а ширина максимума достигает 16 мм, что соответствует жидкокристаллической области, вращающей плоскость поляризации света и регистрируемой при скрещенных поляризаторе и анализаторе.

Величина электропроводности, мкСм/см Рис. 2. Динамика изменения электропроводности системы «ОП-10 – вода» в течение Для объяснения природы носителей заряда в растворе был проведен рентгенофлуоресцентный анализ состава следовых примесей в ОП-10 с помощью спектрометра ARL “Advant’X”, который показал наличие 0,099 мас. % Na, который присутствует в виде органических солей.

Данные исследования системы «ОП-10 - этиловый спирт», в которой был использован спирт, содержащий 3,4 мас. % воды (далее этанол), представлены на рис. 3.

Этанол при диффузии в ОП-10 снижает вязкость последнего (около 600 сП) и тем самым повышает его электропроводность, вызываемую содержащимися в ОП-10 примесями электролитов. Встречная диффузия ОП- привносит в этанол кроме молекул ОП-10 и содержащиеся в нем соли, повышая электропроводность раствора на основе этанола. В итоге на границе двух жидкостей возникает область повышенной электропроводности. Максимум электропроводности со временем медленно сдвигается в сторону ОПчто объясняется большей скоростью диффузии молекул ОП-10 в этаноле, нежели молекул этанола в вязком ОП-10, а также более высокой концентрацией электролитов в ОП-10, чем в переходной зоне.

Величина электропроводности, мкСм / см Рис. 3. Динамика изменения электропроводности системы «ОП-10 – этанол» в течение 2 месяцев Объединяя данные измерений электропроводности, выборочных измерений вязкости и оптических данных, можно заключить, что диффузионная область системы «ОП-10 - этанол» состоит из гомогенной непрерывной серии растворов, тогда как диффузионная область системы «ОП-10 - вода», в соответствии с найденной областью существования жидкокристаллической фазы может быть разбита на три области: верхняя – гомогенная непрерывная серия растворов ОП-10 в воде, средняя – жидкокристаллическая фаза с содержанием ОП-10 около 40-70 мас. % и нижняя - область гомогенных непрерывных растворов воды в ОП-10. В жидкокристаллической области скорость диффузии компонентов в 1,7 раза меньше, чем в аналогичной средней области системы «ОП-10 – этанол» ввиду очень высокой вязкости жидкокристаллической фазы (более 20000 сП). Тем не менее, в нижней области скорость диффузии воды в ОП-10 приблизительно равна скорости диффузии этанола в ОП-10, а в верхней области скорость диффузии ОП-10 в воде выше в 3 раза, чем скорость диффузии ОП-10 в этаноле. Это связано с аналогичным соотношением вязкости соответствующих областей.

Электропроводность в системе «ОП-10 – вода» принимает значительно более высокие значения, чем в системе «ОП-10 – этанол» во всех концентрационных диапазонах, даже в области жидкокристаллической фазы, несмотря на ее высокую вязкость. Более того, электропроводность жидкокристаллической фазы является наивысшей из всех измеренных растворов.

Аномальные кинетические свойства системы «ОП-10 – вода» объясняются особым строением растворов ее компонентов, упорядочивающихся в мицеллы и пространственные решетки лиотропных жидких кристаллов. Благодаря образованию мицелл в жидкокристаллической структуре, во-первых, примесь солей натрия концентрируется именно в водной микрофазе раствора. Во-вторых, водная микрофаза почти свободна от молекул ПАВ, увеличивающих ее вязкость. В-третьих, в ламеллярных и гексагональных лиотропных жидких кристаллах водная микрофаза образует непрерывносвязанную пространственную сеть, облегчая протекание электрического тока. Эти причины, наряду с более высокой степенью диссоциации электролитов в воде, приводят к тому, что при любой вязкости, во всем интервале составов электропроводность растворов «ОП-10 – вода» выше, чем «ОП-10 – этанол» с тем же содержанием ОП-10.

Система «ТБТ – растворитель». Для оценки скорости и характера взаимодействия компонентов вначале была исследована система «ТБТ - вода». Было установлено, что при смешивании воды и ТБТ на границе раздела двух жидкостей мгновенно образуется тонкая плотная белая пленка продуктов гидролиза, однако интенсивного развития реакции не происходит из-за малости скорости диффузии реагентов через пленку. Для изучения реакции между водой и ТБТ в гомогенной среде необходимо добавление в данную систему растворителя, который бы одинаково хорошо растворял и воду, и ТБТ. В качестве такого растворителя исследовали бутиловый и этиловый спирты. Было установлено, что бутанол растворяет в себе не более 2 мас. % ТБТ и не более 5 мас. % воды, поэтому бутанол малопригоден как растворитель. Этиловый спирт оказывается более удобен, так как позволяет варьировать содержание ТБТ и воды в растворе в широких пределах (до 10 мас. % воды и 30 мас. % ТБТ одновременно). Кроме этого, побочный продукт гидролиза – бутанол – также остается в растворе на основе этанола, не выделяясь в отдельную фазу.

Для изучения кинетики взаимодействия ТБТ с растворителем и обнаружения промежуточных фаз, был проведен эксперимент по изучению встречной диффузии в системе «ТБТ – этанол». Компоненты заливали в измерительную ячейку в соответствии с плотностью жидкостей: более плотный ТБТ – в нижнюю часть, этанол – в верхнюю часть ячейки. Далее в течение суток измеряли электропроводность растворов в диффузионной области и толщина образовавшегося слоя осадка, изменяющиеся в процессе диффузии.

Так же, как в исследованных выше растворах (рис. 2, 3), найдено увеличение электропроводности в диффузионной области «ТБТ – этанол», что связано с наличием диссоциирующих примесей (солей) в составе ТБТ, аналогично тому, как наличие примеси солей натрия в ОП-10 приводит к увеличению электропроводности в растворах «ОП-10 – вода» и «ОП-10 – этанол». Из спецификации производителя известно, что при синтезе ТБТ используется TiCl4 и бутанол, причем в качестве катализаторов в реакционную смесь добавляют органические амины. Таким образом, в процессе получения тетрабутоксититана в реакционной смеси образуется хлорид соответствующего амина, который частично остается в ТБТ в следовых количествах. На границе контакта компонентов системы «ТБТ – этанол» данные соли, диффундируя из ТБТ, диссоциируют в полярном растворителе (этаноле, содержащем 3,6 мас. % воды), и увеличивают его электропроводность. Из результатов измерений также следует, что образующийся в данной системе между двумя жидкостями слой продуктов гидролиза ТБТ испытывает интенсивный синерезис.

Система «тетрабутоксититан + ОП-10 – вода». Используя измерительную ячейку и методику, примененную при изучении двойных систем «ТБТ – этанол» и «ОП-10 – растворитель», была исследована тройная система «ТБТ + ОП-10 – вода». Для этого сначала приготавливался гомогенный раствор ТБТ с 50 мас. % ОП-10, который заливался до половины высоты ячейки, после чего верхняя половина заполнялась дистиллированной водой.

В первые часы наблюдается высокое значение электропроводности лишь в области 3-8 мм на границе растворов ТБТ+ОП-10 (до 11,4 мкСм/см).

Появление и постепенное расширение этой области вызвано гидролизом ТБТ и распространением слоя осадка на основе диоксида титана на границе двух жидкостей. Электропроводность образующегося промежуточного слоя с одной стороны, уменьшается за счет образования твердой фазы и появления в ней малоэлектропроводного бутанола (второго продукта гидролиза ТБТ), а с другой – увеличивается за счет появления в пространстве между частицами осадка водного раствора и жидкокристаллической фазы «вода – ОП-10» и перехода в водный раствор следовых количеств электролитов, которые имелись в растворе ТБТ-ОП-10, аналогично тому, как это происходит в системе «ОП-10 – вода».

В дальнейшем (13-61 сутки) продолжается рост толщины слоя осадка и его старение: уплотнение, растрескивание, образование пор, что сопровождается снижением измеренной электропроводности слоя продуктов гидролиза ТБТ в 2 раза (до 4-5 мкСм/см). Отсутствие скачков электропроводности по высоте говорит о равномерном перемешивании и взаимодействии компонентов вдоль всей диффузионной области. По данным электропроводности и визуально область образования осадка в системе «ТБТ+ОП-10 – вода» через суток занимает 52 мм, что соответствует аномально высокой скорости диффузии воды, превышающей скорость диффузии в системе без образования осадка «ОП-10 – вода».

Полученные данные позволяют рекомендовать применение ОП-10 (и аналогичных ПАВ) для управления процессом гидролиза ТБТ и структурой получающегося нанодисперсного осадка на основе TiO2.

В четвертой главе описывается синтез и свойства наноматериалов, полученных в трехкомпонентных системах «тетрабутоксититан – этанол – ПАВ». Предварительные результаты позволили избрать как оптимальную для исследования квазитройную систему «ТБТ–(этанол с 3,4 мас. % воды)– ПАВ». Кроме того, исследована возможность синтеза наноматериалов на основе TiO2 пиролизом ТБТ для сравнения с результатами гидролиза.

В системах с участием ОП-10, ПГК, ПЦС, ППГ были синтезированы образца по оригинальной методике. Во всех сериях переменным фактором являлось содержание в системе ПАВ при постоянном содержании других компонентов: 3 мл ТБТ и 20 мл этанола. Компоненты смешивали в порядке:

ТБТ + ПАВ + EtOH/Н2О с промежуточной гомогенизацией раствора ТБТ+ПАВ. Погрешность приготовления составов растворов составила не более 1 об. %.

Во всех случаях ТБТ, ПАВ и спиртовый раствор образовывали вначале гомогенную жидкость, которая в течение времени от нескольких часов до нескольких дней превращалась в полупрозрачный однородный гель. По прошествии 10 дней полученные гели были извлечены из герметично закрытых склянок и просушены на воздухе при 150 °С в течение 3 часов. Содержание железа в ТБТ было определено на атомно-эмиссионном спектрометре и составило 0,011 масс. %. В целях удаления остатков ПАВ перед адсорбционными измерениями, материалы были дополнительно подвергнуты прокаливанию на воздухе при 300 °С в течение 96 часов, в результате чего все образцы приобрели белый цвет.

Рис. 4. Термограмма образца без добавления ПАВ, совмещенная с данными массспектрометрии (а), ИК-спектры, полученные синхронно с термоанализом, образующие поверхность в координатах "время"–"волновое число"–"оптическая плотность" (б) Обжиг образцов проводили в соответствии с результатами термогравиметрических, ИК- и масс-спектрометрических исследований. Из данных ИКспектроскопии (рис. 4б) и масс-спектроскопии (рис. 4а) следует, что при 50С из образца удаляется вода, сорбированная из воздуха. Количество воды составляет 5,8 мас. %. Далее в интервале 180-450 °С удаляются преимущественно летучие продукты термолиза в количестве 15,2 %. Максимум выделения органических веществ в этом интервале температур приходится на 245 °С.

Обжиг продуктов гидролиза в течение 96 ч при 300 °С приводит к кристаллизации аморфного осадка в форме анатаза. По рентгенографическим Рис. 5. Размер частиц TiO2 по данным рентгенографии: (1 – серия с использованием ОП-10; растворе мицелл ПАВ, 2 – серия с использованием ПГК; 3 – серия с исвлияющих на размер и форму пользованием ПЦС; 4 – серия с использованием зированные в растворах с максимальным содержанием ОП-10, ПГК, ПЦС и ППГ, имеют размер частиц соответственно 91, 73, 80 и 91 нм. Отдельные не залитые точки на рис. 5 соответствуют образцам, синтезированным с 1,5 мл ПАВ без добавления этанола.

Размер частиц в них равен соответственно 90,5; 90,7 и 155 нм.

Зависимость структуры наноматериалов от количества вводимого при синтезе ОП-10 представлена на рис. 6. Показано, что при увеличении количества ПАВ в системе в ней разрушаются и возникают агрегаты частиц золя.

При нулевой и средней концентрации ПАВ (рис. 6а, д) обнаруживается тенденция к образованию более обособленных частиц. Очевидно, что слишком высокое содержание ПАВ в частицах (рис. 6е) приводит к уменьшению прочности частиц и облегчает коллапс сетки глобул при синерезисе.

Рис. 6. Зависимость структуры геля гидролизованного ТБТ от количества ПАВ в образце: а – без ПАВ; б – 0,3 мл; в – 0,6 мл; г – 0,9 мл; д – 1,2 мл; е –1,8 мл ОП- Из сравнения морфологии других гелей следует, что повышение концентрации ПАВ также приводит вначале к обособлению частиц золя, а затем к их агрегации в сплошную массу.

Результаты определения адсорбционных свойств полученных материалов показали, что образцы имеют характеристики, сравнимые с характеристиками активированного березового угля, широко применяемого в фармацевтике. Из характера зависимости величины адсорбции бензола от концентрации введенного при синтезе ПАВ следует, что ПАВ способны как повышать, так и понижать адсорбцию. Так, для образцов, синтезированных с применением ОП-10 характерно снижение адсорбционных свойств с увеличением концентрации ПАВ в растворе, в то время как для образцов, синтезированных с ПЦС и ППГ, наблюдали обратную тенденцию. Для образцов, полученных с использованием ПГК, зависимость немонотонная. Сравнивая результаты, можно отметить, что для всех четырех серий образцов величина адсорбции находится в примерно равных пределах (от 4 до 9 г бензола на 100 г материала).

Результаты исследования позволили подать заявку на патент на получение диоксида титана с размерами частиц 73-91 нм, применяемого в качестве лессирующих пигментов в лакокрасочной и керамической промышленности.

Образцы, синтезированные гидролизом ТБТ в присутствии СТАВ, отличались количеством ПАВ и этанола при постоянном количестве ТБТ.

Большинство образцов при синтезе образовывали гомогенную жидкость, которая в течение промежутка времени от нескольких часов до нескольких дней превращалась в полупрозрачный однородный гель. В двух образцах осадок оксигидрата титана выпадал в виде плотных сгустков, а частично оставался в виде суспензии. Поэтому для дальнейшего исследования осадок и суспензия этих образцов были разделены. Далее образцы отмывали порциями дистиллированной воды в течение недели, по 100 мл ежедневно, для удаления ПАВ. При промывке водой все осадки пептизировали и переходили в молочно-белую суспензию. После этого образцы просушивали при температуре 150 °С в течение 2 суток. Продукты представляли собой твердые материалы белого цвета.

Результаты исследования структуры образцов на электронном микроскопе показали, что образцы имеют различные структуры – от слабосвязанных микросфер и микропористых губок до монолитных образцов. Минимальный размер структурных образований (пор или частиц) в полученных образцах составляет 50 нм.

Электронномикроскопические данные о размере частиц не удалось подтвердить методом рентгенографии ввиду отсутствия на рентгенограмме явных пиков, что свидетельствует об аморфности образцов, полученных при сушке при 150 °С.

Величины адсорбции бензола образцами, полученными в системе ТБТ – EtOH/H2O – СТАВ при разной концентрации ТБТ, имеют близкие значения и достигают 533 м2/г. Из кинетики десорбции адсорбированного бензола из образцов следует, что соотношение крупных и мелких пор (мезопор и микропор) во всех образцах приблизительно постоянно, причем микропор относительно мало, что удобно для каталитических приложений.

Пиролиз ТБТ проводили тремя способами: сжиганием в стальной чаше объемом 15 мл, сжиганием паров ТБТ, полученных в парогенераторе, и сжиганием микрообъемов ТБТ на горящей лучине.

Продукты сжигания в чашке представляют собой пленки и белые частицы аэрозоля диоксида титана, а также черные продукты коксования, состоящие из чистого углерода (по данным рентгенофлуоресцентного микроанализа). Исследование на сканирующем электронном микроскопе показало наличие нескольких типов структур TiO2 и углерода. Помимо сферических нано- и микрочастиц, среди продуктов сгорания обнаруживается объемный диоксид титана со слоистой структурой, которую можно объяснить автоколебанием пламени (рис. 7а). В начале горения вспышки пламени были более интенсивные, так что после каждого колебания пламени поток продуктов горения был сильнее, а осаждавшиеся слои TiO2 толще (350-400 нм). Позже, когда ТБТ догорал, слои становились все тоньше (200–250 нм).

Рис. 7. Структура диоксида титана, полученного пиролизом ТБТ: а) TiO2 со слоистой структурой; б) частицы TiO2, образующиеся в газовой фазе В газовой фазе из горящих паров образуются слабосвязанные сферические частицы диоксида титана диаметром от 30 до 3000 нм (рис. 7б) в количестве 3-5 % от общей массы TiO2.

Эксперимент со сжиганием в открытой чаше продемонстрировал, что для получения TiO2 в форме монодисперсного аэрозоля ТБТ необходимо подогревать в защищенной от воздуха емкости до кипения, чтобы далее пары ТБТ могли быть сожжены в гомогенной газовой смеси с воздухом. Для осуществления такого процесса из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т был изготовлен реактор 8 (рис. 8) объемом 200 мл с вводом 6 для продувки газомносителем, нагревательным элементом 7 и соплом 5 для выхода парогазовой смеси и ее сжигания. Для сбора частиц TiO2 использовали электростатический фильтр, состоящий из про- Рис. 8. Установка для поволочного анода 1 и листового катода 3, к кото- лучения и сбора наночастиц TiO рому притягивались положительно заряженные частицы дыма. Контроль температуры ТБТ осуществлялся с помощью термометра 4, погруженному ниже уровня ТБТ 9. Напряжение, подаваемое на электроды фильтра, составляло 15 кВ, при этом полнота осаждения частиц дыма 2 на катоде 3 оценивалась величиной 95-99 мас. %. Реактор был снабжен электрическим подогревателем 7 для достижения температур до 250 °С.

Работа реактора показала следующее:

1. Температура кипения ТБТ составляет 240-250 °С.

2. При 225-235 °С поток пара и продуктов разложения ТБТ становится достаточным для поддержания небольшого стабильного пламени высотой 30-50 мм, выходящего из сопла диаметром 0,5-1 мм. Так же, как и в случае горения в чаше, это пламя оставляет мало белого аэрозоля, что свидетельствует о том, что пламя образуют не собственно молекулы ТБТ, а продукты его пиролиза (в частности, бутанол).

3. Получаемые частицы TiO2, также как в случае горения в чаше, представляют собой сферы диаметром 40-90 нм. При этом отсутствуют более крупные сферы диаметром 1–3 мкм и продукт более однороден по дисперсности.

4. Применение более интенсивного кипения ТБТ приводит к получению полых микросфер TiO2, оболочка которых сложена из мелких наночастиц (рис. 9).

Для приготовления пробы, пригодной для исследования на просвечивающем электронном микроскопе, был зажжен микрообъем ТБТ, нанесенный окунанием на деревянную лучину. Полученный препарат при исследовании с помощью просвечивающей электронной микроскопии обнаружил существование в аэрозоле сферических кристаллических частиц TiO2 размером 30нм (рис. 10).

Рис. 10. Наночастицы диоксида титана, полученные сжиганием

ВЫВОДЫ

Разработана оригинальная многоэлектродная ячейка и методика для проведения экспериментов по встречной диффузии двух жидкостей, использующая измерение электропроводности по высоте диффузионного слоя и получение изображений этого слоя в поляризованном свете. Разработан метод измерения свойств реакционной зоны, который может быть внедрен для определения скорости протекания реакции гидролиза ТБТ и подобных ей реакций.

На основании полученных с помощью ячейки данных объяснены особенности процессов диффузии и взаимодействия компонентов в системах «ОП-10 – этанол», «ОП-10 – вода», «ТБТ – этанол» и «ТБТ+ОП-10 – вода». Подтверждено образование жидкокристаллической фазы в системе «ОП-10 – вода» и отсутствие таких фаз в остальных системах.

Оценена относительная скорость диффузии в системах «ОП-10 – вода», «ОП-10 – этанол» и «ТБТ+ОП-10 – вода». Показано, что скорость диффузии воды сквозь в десятки раз более вязкий слой жидкокристаллической фазы в системе «ОП-10 – вода» всего лишь в 1,7 раза меньше, чем скорость диффузии этанола в системе «ОП-10 – этанол». Для системы «ТБТ+ОП-10 – вода» показано, что введение ОП-10 в ТБТ резко увеличивает скорость гидролиза ТБТ и скорость диффузии воды сквозь образующийся реакционный/диффузионный слой.

Впервые проведен синтез материалов в тройной системе ТБТ – ПАВ – водно-спиртовой раствор с использованием в качестве ПАВ ПГК, ПЦС, ППГ, СТАВ. Показано, что введение ПАВ при гидролизе тетрабутоксититана смесью воды и этанола позволяет управлять структурой получаемого мезопористого TiO2. Обнаружена обратная зависимость размера частиц TiO2 от количества вводимого при синтезе ПАВ вне зависимости Впервые по данным совмещенного термического анализа объяснен многоступенчатый механизм термолиза промежуточных органическонеорганических продуктов гидролиза ТБТ. Показано, что получаемый промежуточный продукт гидролиза ТБТ после прокаливания при 300 С превращается в анатаз, размер кристаллитов которого составляет 70 нм при максимальном содержании ПАВ и 210 нм при его отсутствии. Показано, что не прошедший прокаливание при 300 °С образец TiO2 аморфен.

Определена адсорбционная емкость материалов на основе диоксида титана по отношению к бензолу. Величина рассчитанной удельной площади поверхности материалов, полученных в системе ТБТ – EtOH/H2O – СТАВ, достигает 533 м2/г. Полученные материалы представляют практическую ценность для внедрения в качестве адсорбентов и катализаторов.

7. Разработана установка и метод получения наночастиц диоксида титана сферической формы, а также полых микросфер путем сжигания ТБТ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, которые по решению ВАК включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов:

1. Жеребцов, Д.А. Синтез нанодисперсного диоксида титана из тетрабутоксититана [Текст] / Жеребцов Д.А., Колмогорцев А.М., Викторов В.В., Дьячук В.В., Галимов Д.М., Сериков А.С., Михайлов Г.Г. // Журнал неорганической химии. – 2010. – Т. 55, № 12. – С. 1963-1969.

2. Колмогорцев, А.М. Формирование дисперсного диоксида титана с наноразмерной структурой в присутствии поверхностно-активных веществ [Текст] / Колмогорцев А.М., Жеребцов Д.А. // Башкирский химический журнал. – 2010. – Т. 17, № 4, – С. 48-54.

3. Жеребцов, Д.А. Особенности превращения гидратированный диоксид титана – анатаз при гидротермальной обработке в водных растворах [Текст] / Д.А. Жеребцов, С.А. Сюткин, В.Ю. Первушин, Г.Ф. Кузнецов, Д.Г. Клещев, В.А. Герман, В.В. Викторов, А.М. Колмогорцев, А.С. Сериков.

// Журнал неорганической химии. – 2010. – Т. 55, № 8. – С. 1271-1276.

4. Сюткин, С.А. Превращения гидратированного диоксида титана при гидротермальной обработке [Текст] / С.А. Сюткин, В.Ю. Первушин, Г.Ф. Кузнецов, Д.Г. Клещев, Д.А. Жеребцов, В.А. Герман, В.В. Викторов, А.М. Колмогорцев, А.С. Сериков // Журнал прикладной химии. – 2010. – Т. 83, № 7. – С. 1104-1108.

5. Сериков, А.С. Образования титана никеля в мелкодисперсной системе оксидов TiO2 (анатаз) – NiO [Текст] / Сериков А.С., Гладков В.Е., Жеребцов Д.А., Колмогорцев А.М., Викторов В.В. // Вестник ЮУрГУ.

Сер. «Химия». – 2010. – № 31 (207). – С. 97-101.

Другие публикации и тезисы докладов:

1. Колмогорцев А.М., Викторов В.В., Жеребцов Д.А., Галимов Д.М.

Особенности гидролиза и термолиза тетрабутилтитаната // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2007 год [Текст] / науч. ред. В.В. Базелюк. – Челябинск: Изд-во Челяб. Гос. Пед. Ун-та, 2008. – с. 241.

2. Галимов Д.М., Жеребцов Д.А., Колмогорцев А.М. Синтез наночастиц TiO2 пиролизом и гидролизом тетрабутилтитаната [Текст] // Наука ЮУрГУ: материалы 60-й юбилейной научной конференции. Секции технических наук. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – Т.1. – с. 152.

3. А.М. Колмогорцев, Д.А. Жеребцов, В.В, Викторов, А.С. Сериков.

Синтез нанодисперсного диоксида титана [Текст] // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. V Ставеровские чтения: Труды научно-технической конференции с международным участием / Под ред. В.Е. Редькина. – Красноярск: ИПК СФУ, 2009. – с. 149.

4. Колмогорцев А.М., Жеребцов Д.А., Викторов В.В., Сериков А.С.

Синтез наноразмерных частиц диоксида титана пиролизом тетрабутоксититана [Текст] // 7-й семинар СО РАН – УрО РАН Термодинамика и материаловедение. Сборник тезисов докладов. Новосибирск, 2010, с. 115.

5. Колмогорцев А.М., Жеребцов Д.А., Сериков А.С., Викторов В.В., Клещев Д.Г. Влияние режима термообработки на дисперсность при получении наноразмерного диоксида титана [Текст] // Материалы XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» (29 июня – 2 июля 2010 г.) / ГОУВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т.

Иваново, 2010. 596 с. – с. 293.

6. Колмогорцев А.М., Жеребцов Д.А., Сериков А.С., Викторов В.В., Галимов Д.М. Особенности синтеза нанодисперсного оксида титана (IV) из тетрабутилтитаната [Текст] // Керамика и композиционные материалы: Тезисы докладов VII Всероссийской научной конференции. – Сыктывкар, 2010. – 176 с. (Коми научный центр УрО РАН) – с. 119.

7. Колмогорцев А.М., Жеребцов Д.А., Сюткин С.А., Первушин В.Ю., Клещев Д.Г., Сериков А.С., Викторов В.В. Превращения гидратированного диоксида титана при гидротермальной обработке [Текст] // Керамика и композиционные материалы: Тезисы докладов VII Всероссийской научной конференции. – Сыктывкар, 2010. – 176 с. (Коми научный центр УрО РАН) – с. 120.