Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю
Hybrid carbons/metals/metal (metalloid) oxides composites could be effective adsorbents for low– and high–molecular weight compounds, polar and nonpolar, gaseous and liquid. The presence of metal nanocrystallites and carbon nanostructures could provide catalytic properties in redox reactions. For mo...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/668 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543946208968704 |
|---|---|
| author | Gun'ko, V. M. Charmas, B. Skubiszewska–Zięba, J. |
| author_facet | Gun'ko, V. M. Charmas, B. Skubiszewska–Zięba, J. |
| author_sort | Gun'ko, V. M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-06-19T08:07:13Z |
| description | Hybrid carbons/metals/metal (metalloid) oxides composites could be effective adsorbents for low– and high–molecular weight compounds, polar and nonpolar, gaseous and liquid. The presence of metal nanocrystallites and carbon nanostructures could provide catalytic properties in redox reactions. For more effective use of hybrid composites, their morphological, structural, textural, and adsorption characteristics should be appropriate for target applications and, therefore, well controlled. Therefore, the aim of this study was to synthesize carbon/metal/silica nanostructured composites with varied content of metal (Ni) to control the mentioned characteristics. Precipitated silica Sipernat 50 was selected as a substrate. Potato starch was used as a carbon precursor. Nickel nitrate (Ni(NO3)2·6H2O) of varied amounts was used as a precursor of Ni nanoparticles reduced upon the starch carbonization. After the starch carbonization and Ni reduction, a set of C/Ni/silica samples was studied using atomic force microscopy, X–ray diffraction, X–ray fluorescence spectroscopy, nitrogen and p-nitrophenol adsorption, thermogravimetry, and Raman spectroscopy. The presence of nickel phase results in the formation of smaller but denser packed char nanoparticles. Estimation of possible contribution of pores accessible for nitrogen molecules in silica globules and outer surface of carbon/Ni particles suggests that the carbon phase is porous that provides a significant part of the specific surface area of the composites. Amorphous silica and char phases are characterized by the presence of certain nuclei of radius (R) < 1 nm and 2 nm < R < 10 nm estimated from the XRD patterns using full peak profile analysis with a self–consistent regularization procedure. Ni crystallites are of several sizes, since particle size distributions include two–three peaks in the range of 3–13 nm in radius. The Raman spectra show that the main changes with increasing Ni content are characteristic to sp3 carbon structures (D line) in contrast to the sp2 structures (G line). The pore size distributions (both differential and incremental) demonstrate complex changes in a broad size range due to increasing Ni content in composites. As a whole, changes in the Ni content in nanostructured C/Ni/silica composites allow one to control the morphological, structural, and textural characteristics of the whole materials. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:52Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-668 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:31Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-6682023-06-19T08:07:13Z Nanostructured composites with precipitated silica – Ni crystallites coated by char with carbonized starch Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю Gun'ko, V. M. Charmas, B. Skubiszewska–Zięba, J. precipitated silica starch nickel nitrate Ni nanocrystallites char–covered Ni nanoparticles structural characteristics осаджений кремнезем крохмаль нітрат нікелю Ni нанокристаліти вкриті вуглецем частинки Ni структурні характеристики Hybrid carbons/metals/metal (metalloid) oxides composites could be effective adsorbents for low– and high–molecular weight compounds, polar and nonpolar, gaseous and liquid. The presence of metal nanocrystallites and carbon nanostructures could provide catalytic properties in redox reactions. For more effective use of hybrid composites, their morphological, structural, textural, and adsorption characteristics should be appropriate for target applications and, therefore, well controlled. Therefore, the aim of this study was to synthesize carbon/metal/silica nanostructured composites with varied content of metal (Ni) to control the mentioned characteristics. Precipitated silica Sipernat 50 was selected as a substrate. Potato starch was used as a carbon precursor. Nickel nitrate (Ni(NO3)2·6H2O) of varied amounts was used as a precursor of Ni nanoparticles reduced upon the starch carbonization. After the starch carbonization and Ni reduction, a set of C/Ni/silica samples was studied using atomic force microscopy, X–ray diffraction, X–ray fluorescence spectroscopy, nitrogen and p-nitrophenol adsorption, thermogravimetry, and Raman spectroscopy. The presence of nickel phase results in the formation of smaller but denser packed char nanoparticles. Estimation of possible contribution of pores accessible for nitrogen molecules in silica globules and outer surface of carbon/Ni particles suggests that the carbon phase is porous that provides a significant part of the specific surface area of the composites. Amorphous silica and char phases are characterized by the presence of certain nuclei of radius (R) < 1 nm and 2 nm < R < 10 nm estimated from the XRD patterns using full peak profile analysis with a self–consistent regularization procedure. Ni crystallites are of several sizes, since particle size distributions include two–three peaks in the range of 3–13 nm in radius. The Raman spectra show that the main changes with increasing Ni content are characteristic to sp3 carbon structures (D line) in contrast to the sp2 structures (G line). The pore size distributions (both differential and incremental) demonstrate complex changes in a broad size range due to increasing Ni content in composites. As a whole, changes in the Ni content in nanostructured C/Ni/silica composites allow one to control the morphological, structural, and textural characteristics of the whole materials. Гібридні композити вуглець/метал/оксиди металу (металоїду) можуть бути більш ефективними адсорбентами для низько– та високомолекулярних сполук, полярних та неполярних, газоподібних та рідких. Наявність металевих нанокристалітів і вуглецевих наноструктур може забезпечити каталітичні властивості в окисно–відновних реакціях. Для більш ефективного використання гібридних композитів необхідно контролювати їхні морфологічні, структурні, текстурні та адсорбційні характеристики, щоб вони відповідали цільовим застосуванням. Тому метою даного дослідження був синтез наноструктурованих композитів вуглець/метал/кремнезем із змінним вмістом металу (Ni) для контролю зазначених характеристик. Як матрицю обрано осаджений кремнезем Sipernat 50. Як попередник вуглецю використовували картопляний крохмаль. Як прекурсор наночастинок Ni використовували різну кількість солі Ni(NO3)2·6H2O. Після карбонізації крохмалю та відновлення Ni досліджували набір зразків C/Ni/кремнезем за допомогою атомно–силової мікроскопії, рентгенівської дифракції, рентгенівської флуоресцентної спектроскопії, адсорбції азоту, термогравіметрії та рамановської спектроскопії. Присутність фази нікелю призводить до утворення менших, але більш щільно упакованих наночастинок вуглецю. Оцінка можливого внеску пор, доступних для молекул азоту в глобулах кремнезему та на зовнішній поверхні частинок вуглецю/Ni, свідчить про те, що вуглецева фаза є пористою, що забезпечує значну частину питомої поверхні композиту. Фази аморфного кремнезему та вугілля характеризуються наявністю певних зародків з радіусом < 1 нм і 2 нм < R < 10 нм, оцінених на основі рентгенограм за допомогою аналізу повних піків із процедурою самоузгодженої регулярізації. Кристаліти Ni мають кілька розмірів, оскільки розподіл частинок за розмірами включає два–три піки в діапазоні 3–13 нм в радіусі. Спектри КРС показують, що основні зміни зі збільшенням вмісту Ni характерні для вуглецевих структур sp3 (лінія D) на відміну від структур sp2 (лінія G). Розподіли розмірів пор (як диференціальні, так і інкрементні) демонстрють складні зміни в широкому діапазоні розмірів через збільшення вмісту Ni в композитах. Загалом зміни вмісту Ni у наноструктурованих композитах C/Ni/кремнезем дозволяють керувати морфологічними, структурними та текстурними характеристиками матеріалів. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2023-05-25 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/668 10.15407/hftp14.02.143 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 14 No. 2 (2023): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 143-158 Химия, физика и технология поверхности; Том 14 № 2 (2023): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 143-158 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 14 № 2 (2023): Хімія, фізика та технологія поверхні; 143-158 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp14.02 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/668/683 Copyright (c) 2023 V. M. Gun'ko, B. Charmas, J. Skubiszewska–Zi?ba |
| spellingShingle | осаджений кремнезем крохмаль нітрат нікелю Ni нанокристаліти вкриті вуглецем частинки Ni структурні характеристики Gun'ko, V. M. Charmas, B. Skubiszewska–Zięba, J. Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| title | Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| title_alt | Nanostructured composites with precipitated silica – Ni crystallites coated by char with carbonized starch |
| title_full | Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| title_fullStr | Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| title_full_unstemmed | Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| title_short | Наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів Ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| title_sort | наноструктуровані композити на основі осадженого кремнезему та кристалітів ni, вкритих вуглецем із карбонізованого крохмалю |
| topic | осаджений кремнезем крохмаль нітрат нікелю Ni нанокристаліти вкриті вуглецем частинки Ni структурні характеристики |
| topic_facet | precipitated silica starch nickel nitrate Ni nanocrystallites char–covered Ni nanoparticles structural characteristics осаджений кремнезем крохмаль нітрат нікелю Ni нанокристаліти вкриті вуглецем частинки Ni структурні характеристики |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/668 |
| work_keys_str_mv | AT gunkovm nanostructuredcompositeswithprecipitatedsilicanicrystallitescoatedbycharwithcarbonizedstarch AT charmasb nanostructuredcompositeswithprecipitatedsilicanicrystallitescoatedbycharwithcarbonizedstarch AT skubiszewskaziebaj nanostructuredcompositeswithprecipitatedsilicanicrystallitescoatedbycharwithcarbonizedstarch AT gunkovm nanostrukturovaníkompozitinaosnovíosadženogokremnezemutakristalítívnivkritihvuglecemízkarbonízovanogokrohmalû AT charmasb nanostrukturovaníkompozitinaosnovíosadženogokremnezemutakristalítívnivkritihvuglecemízkarbonízovanogokrohmalû AT skubiszewskaziebaj nanostrukturovaníkompozitinaosnovíosadženogokremnezemutakristalítívnivkritihvuglecemízkarbonízovanogokrohmalû |