Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2
Aerogels are gels in which the liquid phase is completely replaced by a gaseous one. They form a new class of solids with a very low density, a large specific surface area and high porosity, which opens up wide possibilities for their practical application. ZrO2-SiO2 aerogels, due to the strong bind...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/559 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543922103255040 |
|---|---|
| author | Kravchenko, M. V. Redkina, A. V. Konovalova, N. D. |
| author_facet | Kravchenko, M. V. Redkina, A. V. Konovalova, N. D. |
| author_sort | Kravchenko, M. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:21Z |
| description | Aerogels are gels in which the liquid phase is completely replaced by a gaseous one. They form a new class of solids with a very low density, a large specific surface area and high porosity, which opens up wide possibilities for their practical application. ZrO2-SiO2 aerogels, due to the strong binding energy of Zr-O-Si, very low thermal conductivity, and the presence of acid and basic centers, exhibit excellent properties like aerospace heat insulators, selective sorbents, catalysts, and catalyst supports for high-temperature reactions. The traditional way of obtaining aerogels is formation of a branched, three-dimensional, irregular network of wet gels by sol-gel synthesis from alkoxides of elements, aging of gels, replacement of intermicillar water by organic liquids with low surface tension and careful removal of the solvent by drying under supercritical conditions or under ambient pressure. But alkoxides of the elements are expensive and toxic, drying at elevated pressures requires special equipment and is also expensive and energy-intensive, and drying at atmospheric pressure requires complicated and lengthy gel modifications. In this work, the task was posed, on the basis of the direct method of large-scale sol-gel synthesis of highly porous, nanostructured, spherically granulated zirconium silicates from aqueous solutions of cheap, accessible salts, to obtain materials of aerogel type, without resorting to lengthy equipmently and chemically complex methods of processing the resulting hydrogels. The gels were prepared by forming a zirconium carbonate complex from aqueous solutions of ZrOCl2 and K2CO3 and its subsequent interaction with a Na2SiO3 solution by their coagulation in a drop. The obtained strong spherical granules of ZrO2 SiO2·nH2O hydrogel were thoroughly washed from impurities with distilled water and subjected to hydrothermal treatment for various times, followed by decantation with ethanol mixed with benzine or alkothermal treatment in this mixture in tightly closed containers at supercritical temperature for ethanol. The heat resistance of the samples was determined by calcining them in air at high temperature. Using SEM, XRD, and N2 adsorption / desorption methods, it has been found that the amorphous Zr-Si materials obtained containing 45 wt. % ZrO2 have a specific surface area of more than 500 m2/g, pore volume > 2 cm3/g, average pore diameter of ~ 18 nm, wide mesopores with a diameter of ~ 28 nm, bulk density less than 0.3 g/cm3, which typical for aerogels based on oxides of metal and silicon, and exhibit high thermal stability. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:05Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-559 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-07-22T19:34:05Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5592022-06-29T10:02:21Z Obtaining of zirconium silicate materials of aerogel type from aqueous solutions of Na2SiO3 and ZrOCl2 salts Получение цирконийсиликатных материалов типа аэрогелей из водных растворов солей Na2SiO3 и ZrOCl2 Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 Kravchenko, M. V. Redkina, A. V. Konovalova, N. D. ZrO2-SiO2 aerogels sol-gel synthesis supercritical drying alkothermal treatment mesoporous materials ZrO2-SiO2 аерогелі золь-гель синтез суперкритична сушка алкотермальна обробка мезопоруваті матеріали ZrO2-SiO2 аэрогели золь-гель синтез суперкритическая сушка алкотермальная обработка мезопористые материалы Aerogels are gels in which the liquid phase is completely replaced by a gaseous one. They form a new class of solids with a very low density, a large specific surface area and high porosity, which opens up wide possibilities for their practical application. ZrO2-SiO2 aerogels, due to the strong binding energy of Zr-O-Si, very low thermal conductivity, and the presence of acid and basic centers, exhibit excellent properties like aerospace heat insulators, selective sorbents, catalysts, and catalyst supports for high-temperature reactions. The traditional way of obtaining aerogels is formation of a branched, three-dimensional, irregular network of wet gels by sol-gel synthesis from alkoxides of elements, aging of gels, replacement of intermicillar water by organic liquids with low surface tension and careful removal of the solvent by drying under supercritical conditions or under ambient pressure. But alkoxides of the elements are expensive and toxic, drying at elevated pressures requires special equipment and is also expensive and energy-intensive, and drying at atmospheric pressure requires complicated and lengthy gel modifications. In this work, the task was posed, on the basis of the direct method of large-scale sol-gel synthesis of highly porous, nanostructured, spherically granulated zirconium silicates from aqueous solutions of cheap, accessible salts, to obtain materials of aerogel type, without resorting to lengthy equipmently and chemically complex methods of processing the resulting hydrogels. The gels were prepared by forming a zirconium carbonate complex from aqueous solutions of ZrOCl2 and K2CO3 and its subsequent interaction with a Na2SiO3 solution by their coagulation in a drop. The obtained strong spherical granules of ZrO2 SiO2·nH2O hydrogel were thoroughly washed from impurities with distilled water and subjected to hydrothermal treatment for various times, followed by decantation with ethanol mixed with benzine or alkothermal treatment in this mixture in tightly closed containers at supercritical temperature for ethanol. The heat resistance of the samples was determined by calcining them in air at high temperature. Using SEM, XRD, and N2 adsorption / desorption methods, it has been found that the amorphous Zr-Si materials obtained containing 45 wt. % ZrO2 have a specific surface area of more than 500 m2/g, pore volume > 2 cm3/g, average pore diameter of ~ 18 nm, wide mesopores with a diameter of ~ 28 nm, bulk density less than 0.3 g/cm3, which typical for aerogels based on oxides of metal and silicon, and exhibit high thermal stability. Аэрогели – это гели, в которых жидкая фаза полностью заменена газообразной. Они образуют новый класс твердых веществ с очень низкой плотностью, большой площадью удельной поверхности и высокой пористостью, что открывает им широкие возможности практического применения. ZrO2-SiO2 аэрогели, благодаря сильной энергим связи Zr-O-Si, очень низкой теплопроводности, наличию кислотных и основных центров, проявляют превосходные свойства, как аэрокосмические теплоизоляторы, селективные сорбенты, катализаторы и носители катализаторов для высокотемпературных реакций. Традиционным путем получения аэрогелей являются формирование разветвленной, трехмерной, нерегулярной сети влажных гелей, методом золь-гель синтеза из алкоксидов элементов, старение гелей, замена интермицеллярной воды на органические жидкости с низким поверхностным натяжением и осторожное удаление растворителя сушкой при сверхкритических условиях или при давлении окружающей среды. Но алкоксиды элементов дороги и токсичны, сушка при повышенных давлениях требует специального оборудования и также дорога и энергозатратна, а сушка при атмосферном давлении требует сложной и длительной модификации гелей. В этой работе была поставлена задача, на основании метода прямого масштабного золь-гель синтеза высокопористых, наноструктуриронных, сферически гранулированных цирконийсиликатов из водных растворов дешевых, доступных солей получить материалы типа аэрогелей, не прибегая к длительным аппаратурно и химически сложным методам обработки получаемых гидрогелей. Гели готовили путем образования карбонатного комплекса циркония из водных растворов ZrOCl2, и K2CO3 и его последующего взаимодействия с раствором Na2SiO3 методом их коагуляции в капле. Полученные прочные сферические гранулы гидрогеля ZrO2·SiO2·nH2O тщательно отмывали от посторонних примесей дистиллированной водой и подвергали гидротермальной обработке различное время, последующей декантацией этанолом с примесью бензина или алкотермальной обработке в этой смеси в плотно закрытых контейнерах при сверхкритической температуре для этанола. Термостойкость образцов определяли путем прокаливания их на воздухе при высокой температуре. С помощью методов СЭМ, РФА и адсорбции/десорбции N2 было определено, что полученные аморфные Zr-Si материалы, содержащие 45 масc. % ZrO2, имеют удельную поверхность более 500 м2/г, объем пор > 2 см3/г, средний диаметр пор ~ 18 нм, широкие мезопоры диаметром ~ 28 нм, плотность менее 0.3 г/см3, характерную для аэрогелей на основе оксида метала и оксида кремния, и проявляют высокую термическую стабильность. Аерогелі – це гелі, в яких рідка фаза повністю замінена на газоподібну. Вони утворюють новий клас твердих речовин з дуже низькою густиною, великою питомою поверхнею та високою пористістю, що відкриває широкі можливості для їх практичного застосування. Аерогелі ZrO2-SiO2 завдяки великій енергії зв’язку Zr-O-Si, дуже низькій теплопровідності та наявності кислотних та основних центрів виявляють чудові властивості, такі як аерокосмічні теплоізолятори, селективні сорбенти, каталізатори та носії каталізаторів для високотемпературних реакцій. Традиційним шляхом отримання аерогелів є формування розгалуженої, тривимірної, нерегулярної мережі вологих гелів, методом золь-гель синтезу з алкоксидів елементів, старіння гелів, заміна інтерміцелярної води на органічні рідини з низьким поверхневим натягом і обережне видалення розчинника шляхом сушіння в надкритичних умовах або при атмосферному тиску. Але алкоксиди елементів є дорогими та токсичними, сушка при підвищеному тиску вимагає спеціального обладнання, а також дорога і енергоємна, а сушка при атмосферному тиску вимагає складних і тривалих модифікацій гелю. У цій роботі було поставлено задачу на основі прямого методу широкомасштабного золь-гель синтезу високопоруватих, наноструктурованих, сферично гранульованих силікатів цирконію з водних розчинів дешевих, доступних солей, не вдаючись до тривалих технічно та хімічно складних методів попередньої обробки одержаних гідрогелів. Гелі готували шляхом утворення карбонатного комплекса цирконію з водних розчинів ZrOCl2 і K2CO3 і його подальшої взаємодії з розчином Na2SiO3 методом їх коагуляції в краплі. Отримані міцні сферичні гранули гідрогелю ZrO2·SiO2·nH2O ретельно відмивали від сторонніх домішок дистильованою водою і піддавали гідротермальній обробці в різний час, подальшій декантації етанолом з домішкою бензину або алкотермальній обробці в цій суміші в щільно закритих контейнерах при суперкритичній температурі для етанолу. Термостійкість зразків вимірювали шляхом прожарювання їх на повітрі при високій температурі. За допомогою методів СЕМ, РФА та адсорбції / десорбції N2 було визначено, що отримані аморфні Zr-Si матеріали, що містять 45 мас. % ZrO2, мають питому поверхню понад 500 м2/г, об’єм пор > 2 см3/г, середній діаметр пор ~ 18 нм, широкі мезопори діаметром ~ 28 нм, насипну густину менше 0.3 г/см3, характерну для аерогелів на основі оксиду металу і оксиду кремнію, і проявляють високу термічну стабільність. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2020-09-01 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/559 10.15407/hftp11.03.411 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 3 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 411-419 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 3 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 411-419 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 3 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 411-419 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.03 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/559/562 Copyright (c) 2020 M. V. Kravchenko, A. V. Redkina, N. D. Konovalova |
| spellingShingle | ZrO2-SiO2 аерогелі золь-гель синтез суперкритична сушка алкотермальна обробка мезопоруваті матеріали Kravchenko, M. V. Redkina, A. V. Konovalova, N. D. Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 |
| title | Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 |
| title_alt | Obtaining of zirconium silicate materials of aerogel type from aqueous solutions of Na2SiO3 and ZrOCl2 salts Получение цирконийсиликатных материалов типа аэрогелей из водных растворов солей Na2SiO3 и ZrOCl2 |
| title_full | Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 |
| title_fullStr | Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 |
| title_full_unstemmed | Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 |
| title_short | Одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей Na2SiO3 та ZrOCl2 |
| title_sort | одержання цирконійсилікатних матеріалів типу аерогелів з водних розчинів солей na2sio3 та zrocl2 |
| topic | ZrO2-SiO2 аерогелі золь-гель синтез суперкритична сушка алкотермальна обробка мезопоруваті матеріали |
| topic_facet | ZrO2-SiO2 aerogels sol-gel synthesis supercritical drying alkothermal treatment mesoporous materials ZrO2-SiO2 аерогелі золь-гель синтез суперкритична сушка алкотермальна обробка мезопоруваті матеріали ZrO2-SiO2 аэрогели золь-гель синтез суперкритическая сушка алкотермальная обработка мезопористые материалы |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/559 |
| work_keys_str_mv | AT kravchenkomv obtainingofzirconiumsilicatematerialsofaerogeltypefromaqueoussolutionsofna2sio3andzrocl2salts AT redkinaav obtainingofzirconiumsilicatematerialsofaerogeltypefromaqueoussolutionsofna2sio3andzrocl2salts AT konovalovand obtainingofzirconiumsilicatematerialsofaerogeltypefromaqueoussolutionsofna2sio3andzrocl2salts AT kravchenkomv polučeniecirkonijsilikatnyhmaterialovtipaaérogelejizvodnyhrastvorovsolejna2sio3izrocl2 AT redkinaav polučeniecirkonijsilikatnyhmaterialovtipaaérogelejizvodnyhrastvorovsolejna2sio3izrocl2 AT konovalovand polučeniecirkonijsilikatnyhmaterialovtipaaérogelejizvodnyhrastvorovsolejna2sio3izrocl2 AT kravchenkomv oderžannâcirkoníjsilíkatnihmateríalívtipuaerogelívzvodnihrozčinívsolejna2sio3tazrocl2 AT redkinaav oderžannâcirkoníjsilíkatnihmateríalívtipuaerogelívzvodnihrozčinívsolejna2sio3tazrocl2 AT konovalovand oderžannâcirkoníjsilíkatnihmateríalívtipuaerogelívzvodnihrozčinívsolejna2sio3tazrocl2 |