Подготовка тетраэтоксисилана для получения сферических частиц кремнезема. Часть 2. Примеси и их влияние на размеры формирующихся глобул

Автор: Камашев Д.В.

Статья в выпуске: 6 (342), 2023 года.

Бесплатный доступ

Монодисперсные сферические частицы кремнезема как основа для создания надмолекулярных 3D-матриц в настоящее время вызывают растущий интерес в связи с перспективами их широкого применения в синтезе новых нанокомпозитных материалов. При этом одна из основных проблем их широкомасштабного синтеза связана с нестабильным поведением тетраэтоксисилана (ТЭОС) в процессе гидролиза, что приводит как к отклонению самих частиц от заданного размера, так и их формы от сферической. В данной работе на основании исследования тетраэтоксисилана различных производителей нами были продолжены работы по определению основных факторов, способных оказывать влияние на процесс гидролиза тетраэтоксисилана и, как следствие, на монодисперсность и размеры формирующихся частиц, а также тех факторов, влияние которых незначительно. Для этого все образцы ТЭОС были исследованы различными физико-химическими методами анализа, включающими в себя ИК-Фурье и рамановскую спектроскопии, а также газовую хромато-масс-спектрометрию. В результате было показано, что наличие ди- и трисилоксанов в системе не оказывает значительного влияния на размеры формирующихся частиц кремнезема, при этом значительно увеличивая скорость образования сфер кремнезема. Более того, присутствие в исходном силане метоксильных групп и незначительное содержание этанола в системе также не влияет на стабильность размеров формирующихся частиц. В то же время замена части этоксильных групп в исходном ТЭОС на метильные или этильные как не способные участвовать в реакции гидролиза привносит значительный вклад в отклонение размеров формирующихся частиц кремнезема для различных образцов тетраэтоксисилана. Полученные результаты по влиянию примесей на размеры формирующихся глобул кремнезема являются важными, в том числе и для понимания процессов формирования природных надмолекулярных структур кремнезема.

Еще

Монодисперсные сферические частицы кремнезема, надмолекулярные структуры, физико-химические методы анализа

Короткий адрес: https://sciup.org/149143560

IDR: 149143560 | DOI: 10.19110/geov.2023.6.5

Список литературы Подготовка тетраэтоксисилана для получения сферических частиц кремнезема. Часть 2. Примеси и их влияние на размеры формирующихся глобул

Арбузова В. А., Ковалев И. Р., Тихомирова Е. Н. и др. Интегральные интенсивности и ИКС поглощения метил-этоксисиланов (CH3)nSi(OC2H5)4_n // Докл. АН СССР. 1967. Т. 174. № 2. С. 320-322. Arbuzova V. A., Kovalev I. R., Tikhomirova E. N. et al. Integralnye intensivnosti i IK pogloshheniya metile^to-ksisilanov (SN3)nSi(OC2H5)4_n(Integral intensities and IR absorption of methylethoxysilanes (CH3)nSi(OC2H5)4-n). Dokl. Earth Sciences, 1967, V. 174, No. 2, pp. 320-322.
Денискина Н. Д., Калинин Д. В., Казанцева Л. К. Благородные опалы (природные и синтетические) / Ред. Н. В. Соболев. Новосибирск: Наука, 1987. 184 с. Deniskina N. D., Kalinin D. V., Kazantseva L. K. Blagorodnye opaly (prirodnye i sinteticheskie) (Noble opals (natural and synthetic)). Ed. N. V. Sobolev, Novosibirsk: Nauka, 1987, 184 p.
Жданов Б. В., Жукова Л. А., Штрамбрандт Ю. М. Определение степени гидролиза тетраэтоксисилана методом ИК-спектроскопии // Тр. ВНИИхимреактивов и особо чистых хим. веществ. 1975. Вып. 37. С. 230—234. Zhdanov B. V., Zhukova L. A., Shtrambrandt Yu. M. Opredelenie stepeni gidroliza tetraetoksisilana metodom IK-spektroskopii (Determination of the degree of hydrolysis of tetraethoxysilane by IR spectroscopy). Proc. VNIIkhimreaktiv and extra pure chemical. Substances, 1975, Issue 37, pp. 230—234.
Ивичева С. Н., Каргин Ю. Ф., Ляпина О. А., Юрков Г. Ю., Куцев С. В., Шворнева Л. И. Наночастицы TiO2 в опаловой матрице // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 11. С. 1337—1348. Ivicheva S. N., Kargin Yu. F., Lyapina O. A., Yurkov G. Yu., Kutsev S. V., and Shvorneva L. I. Nanochasticy TiO2 v opal-ovoj matrice (TiO2 nanoparticles in an opal matrix). Inorg, 2009, V. 45, No. 11, pp. 1337—1348.
Камашев Д. В. Кинетические особенности образования надмолекулярных структур на основе монодисперсных сферических частиц кремнезема // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2016. № 6. С. 18—23. Kamashev D. V. Kineticheskie osobennosti obrazovaniya nadmolekulyarnyh struktur na osnove monodispersnyh sfericheskix chasticz kremnezema (Kinetic features of the formation of supramolecular structures based on monodisperse spherical particles of silica), 2016, No. 6, pp. 18— 23.
Камашев Д. В., Асхабов А. М. Кинетика роста и строение монодисперсных сферических частиц кремнезема по данным динамического светорассеяния // Зап. РМО. Ч. CXLVI. 2017. № 2. С. 46—57. Kamashev D. V., Askhabov A. M. Kinetika rosta i stroenie monodispersnyh sfericheskikh chasticz kremnezema po dan-nym dinamicheskogo svetorasseyaniya (Growth kinetics and structure of monodisperse spherical silica particles according to dynamic light scattering data). Zap. RMO. Ch. CXLVI, 2017, No. 2, pp. 46—57.
Камашев Д. В. Подготовка тетраэтоксисилана для получения монодисперсных сферических частиц кремнезема. Часть 1. Ультрафильтрация // Вестник геонаук. 2022. № 11. С. 25—34. Kamashev D. V. Podgotovka tetraetoksisilana dlya po-lucheniya monodispersnyh sfericheskih chasticz kremnezema. Chast 1. Ultrafiltraciya (Preparation of tetraethoxysilane to obtain monodisperse spherical silica particles. Part 1. Ultrafiltration). Vestnik of Geosciences, 2022, No. 11, pp. 25—34.
Козлова Н. В., Базов В. П., Ковалев И. Ф., Воронков М. Г. Корреляция частот в колебательных спектрах меток-си- и этоксисиланов и их дейтерозамещенных // Изв. АН ЛатвССР, серия хим. 1971. № 4. С. 604—615. Kozlova N. V., Bazov V. P., Kovalev I. F., Voronkov M. G. Korrelyaciya chastot v kolebatelnyh spektrax metoksi- i ehtoksisilanov i ih dejterozameshhennyh (Frequency correlation in the vibrational spectra of methoxy- and eth-oxysilanes and their deutero-substituted ones). Proc. Academy of Sciences of the Latvian SSR, a series of Chem., 1971, No. 4, pp. 604—615.
Корякин А. В., Кривенцова Г. А. Состояние воды в органических и неорганических соединениях. М.: Наука, 1973. 174 с. Koryakin A. V., Kriventsova G. A. Sostoyanie vody v or-ganicheskix i neorganicheskix soedineniyax (State of water in organic and inorganic compounds), Moscow: Nauka, 1973, 174 p.
Кувшинова Т. Б., Буслаева Е. Ю., Егорышева А. В., Володин В. Д., Скориков В. М., Кожбахтеев Е. М. Синтез нанокомпо-зитов на основе опаловой матрицы и халькогенидов висмута // Неорганические материалы. 2008. Т. 44. № 12. С. 1441—1445. Kuvshinova T. B., Buslaeva E. Yu., Egorysheva A. V., Volodin V. D., Skorikov V. M., Kozhbakhteev E. M. Sintez nanokompozitov na osnove opalovoj matricy i halkogeni-dov vismuta (Synthesis of nanocomposites based on opal matrix and bismuth chalcogenides). Inorganic Materials, 2008, V. 44, No. 12, pp. 1441—1445.
Лазарев А. Н., Воронков М. Г. Колебания цепей кремнекис-лотных тетраэдров в спектрах полиалкоксисилокса-нов // Химия и практическое применение кремний-органических соединений: Материалы техн. совещания. Л., 1958. Вып. 3. С. 52—58.
Lazarev A. N., Voronkov M. G. Kolebaniya cepej krem-nekislotnyh tetraedrov v spektrah polialkoksisiloksanov (Vibrations of the chains of silicic acid tetrahedra in the spectra of polyalkoxysiloxanes). Chemistry and practical application of organosilicon compounds. Materials tech. Meetings, Leningrad, 1958, issue 3, pp. 52—58.
Маслов В. А., Кравцов С. Б., Новиков И. А., Усачев В. А., Федоров П. П., Цветков В. Б., Яроцкая Е. Г. Особенности формирования регулярной опаловой структуры из сферических частиц кремнезема в различных коллоидных растворах // Конденсированные среды и межфазные границы. 2022. Т. 24. № 1. С. 69—75.Maslov V. A., Kravtsov S. B., Novikov I. A., Usachev V. A., Fedorov P. P., Tsvetkov V. B., Yarotskaya E. G. Osobennosti formirovaniya regulyarnoj opalovoj struktury iz sfericheskih chasticz kremnezema v razlichnyh kolloidnyh rastvorah (Features of the formation of a regular opal structure from spherical silica particles in various colloidal solutions). Condensed media and interphase boundaries, 2022, V. 24, No. 1, pp. 69—75.
Рябенко Е. А., Кузнецов А. И., Шалумов Б. З. и др. О распределении примесей между фазами при глубокой очистке тетраэтоксисилана раствором аммиака // ЖПХ. 1977. № 7. С. 1625—1627. Ryabenko E. A., Kuznetsov A. I., Shalumov B. Z., et al. O raspredelenii primesej mezhdu fazami pri glubokoj och-istke tetraetoksisilana rastvorom ammiaka (On the distribution of impurities between phases during deep purification of tetraethoxysilane with an ammonia solution). Zh. 1977, No. 7, pp. 1625-1627.
Самойлович М. И., Клещева С. М., Белянин А. Ф., Житковский B. Д., Цветков М. Ю. Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема. Ч. III // Микросистемная техника. 2004. № 8. C. 9. Samoilovich M. I., Kleshcheva S. M., Belyanin A. F., Zhitkovsky V. D., Tsvetkov M. Yu. Trehmernye nanokom-pozity na osnove uporyadochennyh upakovok nanosfer kremnezema (Three-dimensional nanocomposites based on ordered packing of silica nanospheres). Part III. Microsystem Technology, 2004, No. 8, pp. 9.
Сердобинцева В. В., Калинин Д. В. Кинетика надмолекулярной кристаллизации при образовании структур благородного опала // Геология и геофизика. 2000. Т. 41. № 2. С. 188-193. Serdobintseva V. V. and Kalinin D. V. Kinetika nadmole-kulyarnoj kristallizacii pri obrazovanii struktur blagorod-nogo opala (Kinetics of supramolecular crystallization during the formation of noble opal structures). Geol. 2000, V. 41, No. 2, pp. 188-193.
Химическая энциклопедия: в 5 т. Т. 4. Пол — Три / Под ред. Н. С. Зефирова. М., 1995. 639 с. Chemical Encyclopedia: in 5 Volumes. V. 4. Pol — Tri. Ed. N. S. Zefirov. Moscow, 1995, 639 p.
Amri R., Sahel S., Manaa C., Bouaziz L., Gamra D., Lejeune M., Clin M., Zellama K., Bouchriha H. Experimental evidence of the photonic band gap in hybrid one-dimensional photonic crystal based on a mixture of (HMDSO, O2) // Superlattices and Microstructures. 2016. V. 96. P. 273— 281.
Bellessa J., Rabaste S., Plenet J. C., Dumas J., Mugnier J., Marty O. Eu3+-doped microcavities fabricated by sol-gel process // Applied Physics Letters. 2001. V. 79. P. 2142—2144.
Joannopoulos J. D., Winn J. N., Meade R. D. Photonic crystals: molding the flow of light. Second edition. Princeton University Press, Princeton. 2008.
Kim H., Kim S., Jeong W. C., Yang S. Low-Threshold lasing in 3D dye-doped photonic crystals derived from colloidal self-assemblies // Chemisty of Materials. 2009. V. 21. P. 4993-4999.
Marlow F., Muldarisnur M., Sharifi P., Brinkmann R., Mendive C. Angew Opals: status and prospects // Angewandte Chemie International Edition. V. 48, Issue 34. P. 6212— 6233.
Nair R. V., Tiwari A. K., Mujumdar S., Jagatap B. N. Photonic-band-edge-induced lasing in self-assembled dyeactivat-ed photonic crystals // Physical Review. A 85. 2012. 023844.
Norris D. J., Arlinghaus E. G., MengL. L., Heiny R., Scriven L. E. Opaline photonic crystals: how does self-assembly work? // Advanced Materials. 2004. V. 16. P. 1393—1399.
Painter O., Lee R. K., Scherer A., Yariv A., Brien J. D. O., Dapkus P. D., Kim I. Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser // Science. 1999. V. 284. P. 1819.
Pan G., Kesavamoorthy R., Asher S. A. Optically nonlinear Bragg diffracting nanosecond optical switches // Physical Review Letters. 1997. V. 78. P. 3860-3863.
Stober W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J. Colloid and Interface Sci., 1968. V. 26. P. 62-69.
Velev O. D., Jede T. A., Lobo R. F., Lenhoff A. M. Porous silica via colloidal crystallization // Nature. 1997. V. 389. N. 6650. P. 447—448.
Venditti I., Fratoddi I., Palazzesi C., Prosposito P., Casalboni M., Cametti C., Battocchio C., Polzonetti G., Russo M. V. Self-assembled nanoparticles of functional copolymers for photonic applications // Journal of Colloids and Interface Science. 2010. V. 348. P. 424-430.
Vynck K., Cassagne D., Centeno E. Superlattice for photonic band gap opening in monolayers of dielectric spheres // Optics Express. 2006. V. 14. P. 6668-6674.
Wendt J. R., Vawter G. A., Gourley P. L., Brennan T. M., Hammons B. E. Nanofabrication of photonic lattice structures in GaAs/AlGaAs // Journal of Vacuum Science & Technology. 1993. P. 2637-2640.

Еще

Статья научная