1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 58, № 11, 2022

Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 11, стр. 1192-1201

Формирование наносвитков гидросиликата магния со структурой хризотила из нанокристаллического гидроксида магния и их термически стимулированная трансформация

Т. П. Масленникова 1, 2, *, Э. Н. Гатина 1, М. Е. Котова 1, 2, В. Л. Уголков 1, Р. Ш. Абиев 1, 3, В. В. Гусаров 1, 4

1 Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук
199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2, Россия

2 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова
197022 Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5, Россия

3 Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
190013 Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Россия

4 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26, Россия

* E-mail: tpmas@bk.ru

Поступила в редакцию 21.04.2022
После доработки 04.07.2022
Принята к публикации 05.07.2022

Аннотация

В работе рассмотрено влияние размерных параметров наночастиц гидроксида магния, полученных различными способами, на образование гидросиликатных наносвитков состава Mg3Si2O5(OH)4 в гидротермальных условиях, их геометрические характеристики и термическое поведение. Установлено, что вне зависимости от продолжительности гидротермальной обработки и способа получения гидроксида магния формируются наносвитки гидросиликата магния со структурой хризотила. Вместе с тем, характер распределения наносвитков по длине и, особенно, по диаметру зависит от способа получения гидроксида магния. Обнаружено, что для образцов гидросиликатов, синтезированных из Mg(OH)2, полученного при смешении реагентов в микрореакторах со свободно сталкивающимися струями, экзотермический максимум трансформации гидросиликата магния в силикат магния со структурой форстерита приходится на температуру 817°C, а для образцов, полученных из гидроксида магния, синтезированного методом обратного осаждения, он сдвигается в более высокотемпературную область (до 825°C).

Ключевые слова: гидротермальный синтез, хризотил, наносвитки, кристаллиты

Список литературы

  1. Métraux C., Grobéty B., Ulmer P. Filling of Chrysotile Tanotubes with Metals // J. Mater. Res. 2002. V. 17. № 5. P. 1129–1135. https://doi.org/10.1557/JMR.2002.0167

  2. Borisov S., Hansen T., Kumzerov Yu., Naberezhnov A., Simkin V., Smirnov O., Sotnikov A., Tovar M., Vakhrushev S. Neutron Diffraction Study of NaNO2 Ferroelectric Nanowires // Physica B. 2004. V. 350. 1-3S. P. 1119–1121. https://doi.org/10.1016/j.physb.2004.03.304

  3. Гофман И.В., Светличный В.М., Юдин В.Е., Добродумов А.В., Диденко А.Л., Абалов И.В., Корыткова Э.Н., Егоров А.И., Гусаров В.В. Модификация пленок термостойких полиимидов добавками гидросиликатных и углеродных наночастиц с различной геометрией // Журн. общ. химии. 2007. Т. 77. № 7. С. 1075–1080.

  4. Кононова С.В., Корыткова Э.Н., Ромашкова К.А., Кузнецов Ю.П., Гофман И.В., Светличный В.М., Гусаров В.В. Нанокомпозит на основе полиамидоимида с гидросиликатными наночастицами различной морфологии // Журн. прикл. химии. 2007. Т. 80. № 12. С. 2064–2070.

  5. Кононова С.В., Корыткова Э.Н., Масленникова Т.П., Ромашкова К.А., Крушинина Е.В., Потокин И.Л., Гусаров В.В. Полимер-неорганические нанокомпозиты на основе ароматических полиамидоимидов, эффективные в процессах разделения жидкостей // Журн. общ. химии. 2010. Т. 80. № 6. С. 966–972.

  6. Cheng L., Zhai L., Liao W., Huang X., Niu B., Yu Sh. An Investigation on the Behaviors of Thorium(IV) Adsorption onto Chrysotile Nanotubes // J. Environ. Chem. Eng. 2014. V. 2. № 3. P. 1236–1242. https://doi.org/10.1016/j.jece.2014.05.014

  7. Bavykin D.V., Walsh F.C. Elongated Titanate Nanostructures and Their Applications // Eur. J. Inorg. Chem. 2009. № 8. P. 977–997. https://doi.org/10.1002/ejic.200801122

  8. Голубева О.Ю., Масленникова Т.П., Ульянова Н.Ю., Дякина М.П. Сорбционные свойства синтетических гидро- и алюмосиликатов со слоистой, каркасной и нанотрубчатой морфологией по отношению к ионам свинца (II) и парам воды // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40. № 2. С. 323–330.

  9. Кумзеров Ю.А., Набережнов А.А. Влияние ограниченной геометрии на сверхпроводящие свойства легкоплавких металлов (Обзор) // Физика низких температур. 2016. Т. 42. № 11. С. 1311–1327.

  10. Chivilikhin S.A., Gusarov V.V., Popov I.Yu. Charge Pumping in Nanotube Filled with Electrolyte // Chin. J. Phys. 2018. V. 56. № 5. P. 2531–2537. https://doi.org/10.1016/j.cjph.2018.06.004

  11. López-Salinas E., Toledo-Antonio J.A., Manríquez M.E., Sánchez-Cantú M., Cruz Ramos I., Hernández-Cortez J.G. Synthesis and Catalytic Activity of Chrysotile-type Magnesium Silicate Nanotubes Using Various Silicate Sources // Micropor. Mesopor. Mater. 2019. V. 274. P. 176–182. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.07.041

  12. Yang Y., Liang Q., Li J., Zhuang Y., He Y., Bai B., Wang X. Ni3Si2O5(OH)4 Multi-Walled Nanotubes with Tunable Magnetic Properties and Their Application as Anode Materials for Lithium Batteries // Nano Res. 2011. V. 4. P. 882–890. https://doi.org/10.1007/s12274-011-0144-7

  13. Bian Z., Li Z., Ashok J., Kawi S. A Highly Active and Stable Ni–Mg Phyllosilicate Nanotubular Catalyst for Ultrahigh Temperature Water-Gas Shift Reaction // Chem. Commun. 2015. V. 51. P. 16324–16326. https://doi.org/10.1039/C5CC05226B

  14. Khrapova E.K., Ugolkov V.L., Straumal E.A., Lermontov S.A., Lebedev V.A., Kozlov D.A., Krasilin A.A. Thermal Behavior of Mg-Ni-Phyllosilicate Nanoscrolls and Performance of the Resulting Composites in Hexene-1 and Acetone Hydrogenation // ChemNanoMat. 2020. V. 7. № 3. P. 257–269. https://doi.org/10.1002/cnma.202000573

  15. Chivilikhin S.A., Gusarov V.V., Popov I.Yu., Svitenkov A.I. Model of Fluid Flow in a Nano-Channel // Rus. J. Math. Phys. 2008. V. 15. № 3. P. 409–411.

  16. Масленникова Т.П., Корыткова Э.Н., Гусаров В.В. Взаимодействие нанотрубок Mg3Si2O5(OH)4 с гидроксидом калия // Журн. прикл. химии. 2008. Т. 81. Вып. 3. С. 389–392.

  17. Масленникова Т.П., Корыткова Э.Н. Водные растворы солей и гидроксида цезия в гидросиликатных нанотрубках состава Mg3Si2O5(OH)4 // Физика и химия стекла. 2010. Т. 36. № 3. С. 427–435.

  18. Vakhrushev S.B., Ivanov A., Kumzerov Yu.A., Naberezhnov A.A., Petrov A.A., Semkin V.N., Fokin A.V. Investigation of Longitudinal Vibrations of –O–H Groups in Chrysotile Asbestos by Neutron Scattering and Polarized Infrared Spectroscopy // Phys. Solid State. 2011. V. 53. № 2. P. 416–420. https://doi.org/10.1134/S1063783411020338

  19. Кряжева К.С., Корыткова Э.Н., Масленникова Т.П., Уголков В.Л. Взаимодействие нанотрубок хризотила с водно-спиртовыми растворами при различных температурно-временных параметрах // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 1. С. 149–160.

  20. Chivilikhin S.A., Popov I.Yu., Aryslanova E.M., Vavulin D.N., Gusarov V.V. Liquid Flow in Nanotubes // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. V. 345. P. 012036

  21. Rodygina O.A., Chivilikhin S.A., Popov I.Yu., Gusarov V.V. Crystallite Model for Flow in Nanotube Caused by Wall Soliton // Nanosyst.: Phys., Chem., Math. 2014. V. 5. № 3. P. 400–404.

  22. Belotitskii V.I., Fokin A.V., Kumzerov Y.A., Sysoeva A.A. Optical Properties of Nanowires Synthesized in Regular Nanochannels of Porous Matrices // Opt. Quant. Electron. 2020. V. 52. Article number: 218. https://doi.org/10.1007/s11082-020-2215-z

  23. Корыткова Э.Н., Маслов А.В., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Формирование нанотрубок состава Мg3Si2O5(OH)4 в гидротермальных условиях // Физика и химия стекла. 2004. Т. 30. № 1. С. 72–78.

  24. Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Синтез нанотрубчатых Ni- и Ni–Mg-гидросиликатов в гидротермальных условиях // Физика и химия стекла 2005. Т. 31. № 6. С. 849–855.

  25. Корыткова Э.Н., Маслов А.В., Пивоварова Л.Н., Полеготченкова Ю.В., Повинич В.Ф., Гусаров В.В. Образование нанотрубчатых гидросиликатов системы Mg3Si2O5(OH)4–Ni3Si2O5(OH)4 при повышенных температурах и давлениях // Неорган. материалы. 2005. Т. 41. № 7. С. 849–855.

  26. Jancar B., Suvorov D. The Influence of Hydrothermal-Reaction Parameters on the Formation of Chrysotile Nanotubes // Nanotechnology. 2006. V. 17. № 1. P. 25–29. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/1/005

  27. Чивилихин С.А., Попов И.Ю., Гусаров В.В. Динамика скручивания нанотрубок в вязкой жидкости // Докл. Академии наук. 2007. Т. 412. № 2. С. 201–203.

  28. Piperno S., Kaplan-Ashiri I., Cohen S.R., Popovitz-Biro R., Wagner H.D., Tenne R., Foresti E., Lesci I.G., Roveri N. Characterization of Geoinspired and Synthetic Chrysotile Nanotubes by Atomic Force Microscopy and Transmission Electron Microscopy // Adv. Funct. Mater. 2007. V. 17. № 16. P. 3332–3338. https://doi.org/10.1002/adfm.200700278

  29. Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н., Семенова О.Е., Дроздова И.А., Повинич В.Ф., Гусаров В.В. Гидротермальный синтез нанотубулярных Mg–Fe – гидросиликатов // Журн. неорган. химии. 2007. Т. 52. № 3. С. 388–394.

  30. Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Гидротермальный синтез нанотубулярных Co-Mg-гидросиликатов со структурой хризотила // Журн. общ. химии. 2007. Т. 77. № 10. С. 1600–1607.

  31. Огородова Л.П., Киселева И.А., Корыткова Э.Н., Масленникова Т.П., Гусаров В.В. Синтез и термохимическое исследование нанотрубок состава (Mg,Fe)3Si2O5(OH)4 // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84. № 1. С. 49–53.

  32. Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н. Гидротермальный синтез нанотрубок на основе гидросиликатов (Mg,Fe,Co,Ni)3Si2O5(OH)4 // Физика и химия стекла 2010. Т. 36. № 1. С. 69.

  33. Красилин А.А., Супрун А.М., Гусаров В.В. Влияние соотношения компонентов в соединении (Mg,Fe)3Si2O5(OH)4 на формирование нанотубулярных и пластинчатых частиц // Журн. прикл. химии. 2013. Т. 86. № 11. С. 1681–1685.

  34. Красилин А.А., Супрун А.М., Неведомский В.Н., Гусаров В.В. Формирование конических наносвитков (Mg,Ni)3Si2O5(OH)4 // Докл. Академии наук. 2015. Т. 460. № 5. С. 558–560.

  35. Krivovichev S.V., Kahlenberg V., Tananaev I.G., Kaindl R., Mersdorf E., Myasoedov B.F. Highly Porous Uranyl Selenate Nanotubules // J. Am. Chem. Soc. 2005 V. 127. № 4. P. 1072–1073. https://doi.org/10.1021/ja0436289

  36. Krivovichev S.V., Kahlenberg V., Kaindl R., Mersdorf E., Tananaev I.G., Myasoedov B.F. Nanoscale Tubules in Uranyl Selenates // Angew. Chem. Int. Ed. 2005. V. 44. № 7. P. 1134–1136. https://doi.org/10.1002/anie.200462356

  37. Krivovichev S.V., Kahlenberg V. Synthesis and Crystal Structure of Zn2[(UO2)3(SeO4)5](H2O)17 // J. Alloys Compd. 2005. V. 389. № 1–2. P. 55–60. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.08.019

  38. Cradwick P.D.G., Farmer V.C., Russell J.D., Masson C.R., Wada K., Yoshinaga N. Imogolite, a Hydrated Aluminium Silicate of Tubular Structure // Nat. Phys. Sci. 1972. V. 240. P. 187–189. https://doi.org/10.1038/physci240187a0

  39. Farmer V.C., Fraser A.R., Tait J.M. Synthesis of Imogolite: A Tubular Aluminium Silicate Polymer // J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1977. V. 12. P. 462–463. https://doi.org/10.1039/C39770000462

  40. Bloise A., Barrese E., Apollaro C. Hydrothermal Alteration of Ti-doped Forsterite to Chrysotile and Characterization of the Resulting Chrysotile Fibers // Neues Jahrb. Mineral., Abh. 2009. V. 185. P. 297–304. https://doi.org/10.1127/0077-7757/2009/0130

  41. Масленникова Т.П., Гатина Э.Н. Гидротермальный синтез Ti-допированных гидросиликатов никеля различной морфологии // Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. № 2. С. 238–243.

  42. Yuan P., Tan D., Annabi-Bergaya F. Properties and Applications of Halloysite Nanotubes: Recent Research Advances and Future Prospects // Appl. Clay Sci. 2015. V. 112–113. P. 75–93. https://doi.org/10.1016/j.clay.2015.05.001

  43. Везенцев А.И., Нейман С.М., Гудкова Е.А. Превращения и изменения свойств хризотил-асбеста под влиянием различных факторов // Строительные материалы. 2006. Т. 6. С. 104–105.

  44. White R.D., Bavykin D.V., Walsh F.C. Spontaneous Scrolling of Kaolinite Nanosheets into Halloysite Nanotubes in an Aqueous Suspension in the Presence of GeO2 // J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. P. 8824–8833. https://doi.org/10.1021/jp300068t

  45. Красилин А.А., Храпова Е.К. Влияние условий гидротермальной обработки на формирование гидрогерманата никеля с пластинчатой морфологией // Журн. прикл. химии. 2017. Т. 90. № 1. С. 25–30.

  46. Pauling L. The Structure of the Chlorites // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1930. V. 16. P. 578–582. https://doi.org/10.1073/pnas.16.9.578

  47. Roy D.M., Roy R. An Experimental Study of the Formation and Properties of Synthetic Serpentines and Related Layer Silicate Minerals // Am. Mineral. 1954. V. 39. № 11–12. P. 957–975.

  48. Yada K. Study of Chrysotile Asbestos by a High Resolution Electron Microscope // Acta Crystallogr. 1967. V. 23. № 5. P. 704–707. https://doi.org/10.1107/S0365110X67003524

  49. Yada K. Study of Microstructure of Chrysotile Asbestos by High-Resolution Electron Microscopy // Acta Crystallogr., Sect. A. 1971. V. 27. № 6. P. 659–664. https://doi.org/10.1107/S0567739471001402

  50. Falini G., Foresti E., Gazzano M., Gualtieri A.F., Leoni M., Lesci I.G., Roveri N. Tubular-Shaped Stoichiometric Chrysotile Nanocrystals // Chem. – Eur. J. 2004. V. 10. № 12. P. 3043–3049. https://doi.org/10.1002/chem.200305685

  51. Lafay R., Montes-Hernandez G., Janots E., Chiriac R., Findling N., Toche F. Nucleation and Growth of Chrysotile Nanotubes in H2SiO3/MgCl2/NaOH Medium at 90 to 300°C // Chem. – Eur. J. 2013. V. 19. № 17. P. 5417–5424. https://doi.org/10.1002/chem.201204105

  52. Красилин А.А., Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Влияние строения исходной композиции на формирование нанотубулярного гидросиликата магния // Неорган. материалы. 2011. Т. 47. № 10. С. 1222–1226.

  53. Масленникова Т.П., Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н. Гидротермальный синтез нанотрубок состава Al2Si2O5(OH)4⋅2Н2О со структурой галлуазита // Физика и химия стекла. Письма в журн. 2012. Т. 38. № 6. С. 890–893. EDN: RDJLPJ

  54. Krasilin A.A., Khrapova E.K., Maslennikova T.P. Review: Cation Doping Approach for Nanotubular Hydrosilicates Curvature Control and Related Applications // Crystals. 2020. V. 10. № 8. P. 654–695. https://doi.org/10.3390/cryst10080654

  55. Krasilin A.A., Suprun A.M., Ubyivovk E.V., Gusarov V.V. Morphology vs. Chemical Composition of Single Ni-doped Hydrosilicate Nanoscroll // Mater. Lett. 2016. V. 171. P. 68–71. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.01.152

  56. Krasilin A.A., Khrapova E.K., Nomine A., Ghanbaja J., Belmonte T., Gusarov V.V. Cations Redistribution Along the Spiral of Ni-doped Phyllosilicate Nanoscrolls: Energy Modelling and STEM/EDS Study // ChemPhysChem. 2019. V. 20. № 5. P. 719–726. https://doi.org/10.1002/cphc.201801144

  57. Krasilin A.A., Gusarov V.V. Redistribution of Mg and Ni Cations in Crystal Lattice of Conical Nanotube with Chrysotile Structure // Nanosyst.: Phys., Chem., Math. 2017. V. 8. № 5. P. 620–627. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2017-8-5-620-627

  58. Корыткова Э.Н., Бровкин А.С., Масленникова Т.П., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А. Влияние физико-химических параметров синтеза на рост нанотрубок состава Mg3Si2O5(OH)4 в гидротермальных условиях // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 2. С. 215–228.

  59. Масленникова Т.П., Корыткова Э.Н. Влияние физико-химических параметров синтеза на рост нанотрубок Ni3Si2O5(OH)4 и заполнение их растворами гидроксидов и хлоридов щелочных металлов // Физика и химия стекла. 2013. Т. 39. № 1. С. 99–107.

  60. Корыткова Э.H., Семяшкина М.П., Масленникова Т.П., Пивоварова Л.Н., Альмяшев В.И., Уголков В.Л. Синтез и рост нанотрубок состава Mg3Si2O5(OH,F)4 в гидротермальных условиях // Физика и химия стекла. 2013. Т. 39. № 3. С. 434–443.

  61. Skuland T., Maslennikova T., Låg M., Gatina E., Serebryakova M., Trulioff A., Kudryavtsev I., Klebnikova N., Kruchinina I., Schwarze P.E., Refsnes M. Synthetic Hydrosilicate Nanotubes Induce Low Pro-inflammatory and Cytotoxic Responses Compared to Natural Chrysotile in Lung Cell Cultures // Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2020. V. 126. № 4. P. 374–388. https://doi.org/10.1111/bcpt.13341

  62. Проскурина О.В., Соколова А.Н., Сироткин А.А., Абиев Р.Ш., Гусаров В.В. Роль условий соосаждения гидроксидов в формировании нанокристаллического BiFeO3 // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 2. С. 160–167. https://doi.org/10.31857/S0044457X2102015X

  63. Масленникова Т.П., Котова М.Е., Ломакин М.С., Уголков В.Л. Роль процесса смешения растворов реагентов в формировании морфологических особенностей нанокристаллических частиц гидроксида и оксида магния // Журн. неорган. химии. 2022. Т. 67. № 6. В печати.

  64. Чивилихин С.А., Попов И.Ю., Свитенков А.И., Чивилихин Д.С., Гусаров В.В. Формирование и эволюция ансамблей наносвитков на основе соединений со слоистой структурой // Докл. Академии наук. 2009. Т. 429. № 2. С. 185–186.

  65. Чивилихин С.А., Попов И.Ю., Чивилихин Д.С., Гусаров В.В. Диффузионно-контролируемый рост системы наносвитков // Изв. вузов. Физика. 2010. Т. 53. Спец. вып. 3/2: Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях. С. 201–204.

  66. Krasilin A.A., Nevedomsky V.N., Gusarov V.V. Comparative Energy Modeling of Multi-Walled Mg3Si2O5(OH)4 and Ni3Si2O5(OH)4 Nanoscrolls Growth // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121 № 22. P. 12495–12502. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b03785

  67. Krasilin A.A., Gusarov V.V. Energy Model of Radial Growth of a Nanotubular Crystal // Tech. Phys. Lett. 2016. V. 42. № 1. P. 55–58. https://doi.org/10.1134/s1063785016010247

  68. Roveri N., Falini G., Foresti E., Fracasso G., Lesci I., Sabatino P. Geoinspired Synthetic Chrysotile Nanotubes // J. Mater. Res. 2006. V. 21. № 11. P. 2711–2725. https://doi.org/10.1557/jmr.2006.0359

  69. Малков А.А., Корыткова Э.Н., Масленникова Т.П., Штыхова А.М., Гусаров В.В. Влияние термообработки на структурно-химические превращения нанотрубок на основе гидросиликата Mg3Si2O5(OH)4 // Журн. прикл. химии. 2009. Т. 82. № 12. С. 1937–1945.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал