.
Subject Areas :خدیجه شکوهی 1 * , Afsaneh Maleki 2
1 -
2 - Department of Chemistry, Om. C., Islamic Azad University, Omidiyeh, Iran
Keywords: .,
Abstract :
.
[1] R. Trujillano, F. M. Labajos, and V. Rives, “Hydrotalcites, a rapid survey on the very recent synthesis and applications procedures,” Appl Clay Sci, vol. 238, p. 106927, Jun. 2023, doi: 10.1016/J.CLAY.2023.106927.
[2] L. Jin, H. Y. Zeng, J. Z. Du, and S. Xu, “Intercalation of organic and inorganic anions into layered double hydroxides for polymer flame retardancy,” Appl Clay Sci, vol. 187, p. 105481, Mar. 2020, doi: 10.1016/J.CLAY.2020.105481.
[3] S. Mills, A. Christy, T. Kameda, J.-M. Génin, and F. Colombo, “Nomenclature of the hydrotalcite supergroup: Natural layered double hydroxides,” Mineral Mag, vol. 76, pp. 1289–1336, Oct. 2012, doi: 10.1180/minmag.2012.076.5.10.
[4] K. Parida, M. Satpathy, and L. Mohapatra, “Incorporation of Fe3+ into Mg/Al layered double hydroxide framework: effects on textural properties and photocatalytic activity for H2 generation,” J Mater Chem, vol. 22, no. 15, pp. 7350–7357, 2012, doi: 10.1039/C2JM15658J.
[5] M. Sun et al., “Heteropoly blue-modified ultrathin bismuth oxychloride nanosheets with oxygen vacancies for efficient photocatalytic nitrogen fixation in pure water,” J Colloid Interface Sci, vol. 677, pp. 610–619, Jan. 2025, doi: 10.1016/J.JCIS.2024.07.234.
[6] Y. Ohishi et al., “Mg–Fe–Al mixed oxides with mesoporous properties prepared from hydrotalcite as precursors: Catalytic behavior in ethylbenzene dehydrogenation,” Appl Catal A Gen, vol. 288, no. 1–2, pp. 220–231, Jul. 2005, doi: 10.1016/J.APCATA.2005.04.033.
[7] K. Shekoohi, F. S. Hosseini, A. H. Haghighi, and A. Sahrayian, “Synthesis of some Mg/Co-Al type nano hydrotalcites and characterization,” MethodsX, vol. 4, pp. 86–94, Jan. 2017, doi: 10.1016/J.MEX.2017.01.003.
[8] E. Conterosito, V. Gianotti, L. Palin, E. Boccaleri, D. Viterbo, and M. Milanesio, “Facile preparation methods of hydrotalcite layered materials and their structural characterization by combined techniques,” Inorganica Chim Acta, vol. 470, pp. 36–50, Jan. 2018, doi: 10.1016/J.ICA.2017.08.007.
[9] A. V Radha, L. Lander, G. Rousse, J. M. Tarascon, and A. Navrotsky, “Thermodynamic stability and correlation with synthesis conditions, structure and phase transformations in orthorhombic and monoclinic Li2M(SO4)2 (M = Mn, Fe, Co, Ni) polymorphs,” J Mater Chem A Mater, vol. 3, no. 6, pp. 2601–2608, 2015, doi: 10.1039/C4TA05066E.
[10] R. Frost, M. Hales, W. Martens, V. Vagvolgyi, J. Kristóf, and E. Horvath, “Dynamic and Controlled Rate Thermal analysis of hydrozincite and smithsonite,” J Therm Anal Calorim, vol. 92, Jun. 2008, doi: 10.1007/s10973-007-8846-5.
|
|
شاپا چاپی: 9228-2008 شاپا الکترونیکی: 7264-2423
مقاله پژوهشی
سنتز و بررسی خواص نانو هیدروتالسیت آلومنیم: منیزیم :کبالت با آنیون سولفات در ساختار آن
خدیجه شکوهی 1*، افسانه مالکی2
1- گروه شیمی، واحد داراب، دانشگاه آزاد اسلامی، داراب، ایران
2-گروه شیمی، واحد امیدیه، دانشگاه آزاد اسلامی، امیدیه، ایران
چکیده ترکیبات هیدروتالسیت که آنها را به عنوان هیدروکسیدهای لایه ای و رس های آنیونی نیز می شناسند به خاطر کاربردهای فراوان به طور گسترده ای در دهه گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی از مهمترین کاربرد هیدروتالسیت استفاده از آنها به عنوان کاتالیزور می باشد. در این تحقیق نانوهیدروتالسیت با ترکیب مختلفی از فلزهای و آلومنیم ، منیزیم وکبالت با آنیون سولفات سنتز شده است. نسبت های مختلف از فلزات آلومنیم - منیزیم- کبالت شامل: 0:1:1‚ 2:4:1و 6:4:1 سنتز شده است. ساختار و مورفولوژی نانوکاتالیزور هیدروتالسیت توسط تکنیک های پراش اشعه ایکس (XRD)و طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (IR-FT) میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد بررسی قرار گرفته است. پراش اشعه ایکس ساختار لایه ای ساختار را تایید کرد. با طیف سنجی مادون قرمز مشخص شد که هیدروتالسیت با آنیون سولفات سنتز شده است. تصویر میکروسکوپ الکترونی نیزبلورینگی این ساختار را نشان می دهد.
|
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید
واژههای کلیدی: هیدروتالسیت، هیدروکسیدهای لایه ای، همرسوبی
|
مقدمه
نانوهیدروتالسیت ها1 به صورت رس های آنیونی یا لایه های هیدروکسید دوگانه 2 (LDH) هستند[1]. این ترکیبات دارای نانوساختارهای دوبعدی هستند که از دو نوع کاتیون های فلزی که در حفره های هشت وجهی از یون های هیدروکسیل (OH-) دریک ساختار لایه ای شبه بروسیت3 قرار دارند. جایگزینی کاتیون های فلزی M2+ با کاتیون های فلزی M3+باعث ایجاد بار مثبت در بین لایه ها می شود، این بار مثبت بوسیله آنیون های بینلایهای موازنه میگردد. برهمکنش الکترواستاتیک بین این دو لایه و پیوندهای هیدروژنی ناشی از آب بین لایهها با آنیون و لایه هیدروکسید، پایداری ساختاری هیدروتالسیت ها را تعیین میکند. خواص ویژه هیدروتالسیت ها به خاطر طبیعت و شکل ساختار آن ها می باشد. ساختارهای نانوهیدروتالسیت دارای فرمول عمومی:
]M(II)1-X M(III)x (OH)2[X+().mH2O(1)
در این فرمول M2+ بیانگر کاتیون های دو ظرفیتی (Mg2+، Co2+و غیره)، M3+ یون ها سه ظرفیتی (Al3+، Cr3+ وFe3+و غیره) و An−x/n گروه آنیونی می باشد. شکل های (1) و (2) به ترتیب ساختار لایه ای و واحد سلولی در هیدروتالسیت ها را نشان می دهد.
شکل 1- ساختار لایه ای هیدروتالسیت ها
شکل 2- واحد سلولی در هیدروتالسیت ها
پارامتر a بیانگر فاصله کاتیون – کاتیون درون لایه های مشابه با بروسیت است و پارامتر c فاصله بین لایه ها را بیان می کند. این دو پارامتر با استفاده از روابط زیر محاسبه می گردد:
a=2d011 & c=3d003
در سالهای اخیر، کارهای تحقیقاتی زیادی بر هیدروتالسیت انجام شده است که فعالیت کاتالیزوری امیدوارکننده ای را برای واکنش های کاتالیزوری مختلف صنعتی مهم مانند هیدروایزومریزاسیون و آلکیلاسیون آروماتیک نشان می دهد[5-3]. فلزات واسطه برای جایگزینی در ساختار هیدروتالسیت به دلیل کاربردهای متنوعشان در کاتالیز، تولید انرژی تجدیدپذیر، دارورسانی و اصلاح خواص پلیمری بسیار مورد توجه قرار گرفته اند [6]. مطالعات و بررسی های زیادی در مورد تأثیر نوع و مقدار فلزات جایگزین شده در لایه های هیدروکسید دوگانه انجام شده است.
هیدروتالسیت با مقادیر مختلف از آلومنیم - منیزیم- کبالت با آنیون نیترات در ساختار سنتز شده و مورد مطالعه قرار گرفته است .از آن جا که در اکثر مطالعات آنیون موجود در ساختار یون کربنات است در این تحقیق علاوه بر بررسی اثر نسبت مول کاتیون ها در شرایط سنتز یکسان ، با مواد اولیه ساختاری از هیدروتالسیت ها سنتز شده است که در ساختار آنها آنیون دیگری به جز کربنات باشد تا برای کاربردها در زمیته مبادله آنیونی بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. هیدروتالسیت با مقادیر مختلف از آلومنیم - منیزیم- کبالت با آنیون نیترات در ساختار بین لایه ای سنتز شده و مورد مطالعه قرار گرفته است [7]. در این تحقیق هیدروتالسیت با مقادیر مختلف از آلومنیم - منیزیم- کبالت با آنیون سولفات در ساختار سنتز شد وبرای بررسی ساختار لایه ای هیدروتالسیت های سنتز شده از روش های شناسایی مانند طیف سنجی مادون قرمز، پراش اشعه ایکس ، میکروسکوپ الکترونی استفاده شده است.
سنتز نانو هیدرو تالسیت
روش همرسوبی یکی از روشهای است که برای سنتز نانوهیدروتالسیت استفتاده می شود که این روش به دو صورت می توان انجام داد یکی در شرایط pH ثابت ودیگری در شرایط pH متغیر[8]. در روش pH متغیرکه در این تحقیق استفاده شده است مراحل آن در ادامه ذکر شده است.
در ابتدا بر اساس وزن سنجی محلولی از نمکهای سولفات فلزات منیزیم و آلومنیم و کبالت با نسبت های مختلف از جدول1- نسبت استوکیومتری استفاده شده در نانو هیدروتالسیت گروه HT-Anion،
ساخته شد، در محلول با pH خنثی یونهای فلزی پایدار می مانند و حل نمی شوند. در مرحله دوم pH محلول باید با دقت افزایش یابد (pH محلول باید به 10-9 برسد. همزمان با افزایش pH یونهای از
،
با
وآنیون واکنش داده و هیدروتالسیت سنتز می شود. ممکن است pH در محل های مختلف از محلول متفاوت باشد‚ بنابر این واکنش باید همزمان با عمل همزدن همراه باشد. واکنش همرسوبی باید در دمای پایین انجام شود تا از تشکیل هیدروکسید ها جلوگیری شود‚ بنابراین کنترل دما باید به دقت در نظر گرفته شود.
نام | نسبت | کاتیون |
HT-SO42-(0:1:1) | 0/1/1 | Co2+/Mg2+/Al3+ |
HT-SO42- (2:4:1) | 2/4/1 | Co2+/Mg2+/Al3+ |
HT-SO42- (6:4:1) | 6/4/1 | Co2+/Mg2+/Al3+ |
آزمون های انجام شده
برای بررسی ساختار نانو هیدروتالسیت سنتز شده از آزمون و روشهای زیر استفاده شده است . برای بررسی ساختار بلوری و تعیین مشخصات هیدروتالسیت های سنتز شده، آزمون XRD توسط دستگاه X-ray diffraction با نام تجاری Philips X’ Pert با تشعشع اشعه ای با طول موج Å 54184/1 = λ و ولتاژ شتاب دهنده برابر با Kv40با 2ϴ=0-90 درجه با سرعت 05/0 درجه بر دقیقه بررسی شده است.با دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی با نام تجاری VegaII XMU ساخت شرکت Tescan (جمهوری چک) موفولوژی ترکیبات مورد بررسی قرار گرفت.
طیف تبديل فوريه مادون قرمز با استفاده از طیف سنج نیکولت 6700 (Thermoscientific، ایالات متحده آمریکا) در دمای محیط در محدوده فرکانسcm-1 4000-400 ثبت شد.
1- الگوی پراش اشعه ایکس.
الگوی پراش اشعه ایکس هیدروتالسیت سنتز شده با نمکهای سولفات فلزات با ترکیب Mg-Al(1:1) در شکل 3و با ترکیب Co-Mg-Al(2:4:1) در شکل 4 نمایش داده شده است. با توجه به الگوی پراش نمونه سنتز شده دارای ساختار لایه ای هستند.
شکل 3- الگوی XRD هیدروتالسیت با آنیون سولفات Mg:Al-SO42- (1:1)
شکل 4- الگوی XRD هیدروتالسیت با آنیون سولفات. Co-Mg-Al-SO42-(2:4:1)
هر کدام از این قلهها مربوط به صفحهای خاص از نمونه میباشد. پیک های تیز نشان دهنده میزان بلورینگی بالا نمونه سنتز شده می باشد. در نمونه های سنتز شده، مواد بصورت ترکیبی از حالت آمورف (بینظم) وکریستالی میباشند. حوزههای آمورف قلههای پهن و حوزههای کریستالی قلههای تیز در نمودار تشکیل میدهند. از نسبت شدت این قلهها میتوان برای تعیین بلورینگی استفاده کرد. وقتی در نمونه ها تر کیب کاتیونی تغییر می کند پیک ها پهن تر می شود. با بررسی الگوهای پراش اشعه ایکس، می توان دریافت که با افزودن کبالت پارامترهای ساختارهیدروتالسیت a و cتغییر می کند، که در جدول (3) ارائه شده است، با افزودن کبالت مقادیر c افزایش می یابد.
جدول 2- مقادیر 2θ و فاصله بین لایه های در نمونه های هیدروتالسیت سنتز شده
Nano hydrotalcite | (003) | (006) | (009) | (110) | |||||
2θ (˚) | d (nm) | 2θ (˚) | d (nm) | 2θ (˚) | d (nm) | 2θ (˚) | d (nm) | ||
Mg/Al (1:1) | 10/29 | 0/860 | 32/12 | 0/279 | 47/93 | 0/190 | 63/36 | 0/147 | |
Co/Mg/Al(2:4:1) | 11/37 | 0/933 | 32/21 | 0/278 | 48/86 | 0/186 | 55/29 | 0/166 | |
جدول 3- مقادیرa و cدر نانوهیدروتالسیت های سنتز شده
Lattice parameter/nm | Nano hydrotalcite | ||
c | a | ||
2/58 | 0/293 | Mg/Al (1:1) | Anion SO42- |
2/77 | 0/302 | Co/Mg/Al(2:4:1) | |
2- میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)
شکل )5) تصاویر SEM نمونه های هیدروتالسیت سنتز شده با آنیون بین لایه ای سولفات و با نسبتAl Mg /ا برابر با (1:1) است. لایه های دیده شده در تصویر نشان دهنده ساختار لایه ای هیدروتالسیت است .
شکل 5- تصاویر SEM مربوط به نمونه Mg/Al-SO42- (1:1)
شکل های)6) و(7) تصاویر SEM نمونه های هیدروتالسیت سنتز شده Co/Mg/Al با نسبت کاتیونی (6:4:1),(2:4:1) آنیون سولفات است. همانطور که در تصاویر مشاهده می شود نمونه های سنتز شده به خوبی کریستاله شده اند. وجود ساختار لایه ای بیانگر ساختار مولکولی و لایه ای ذرات هیدروتالسیت است. این لایه ها در کنار هم ذرات هیدروتالسیت را می سازند.
شکل 6- تصاویر SEM مربوط به نمونه Co/Mg/Al-SO42-(2:4:1)
شکل 7- تصاویر SEM مربوط به نمونه .Co/Mg/Al-SO42-(6:4:1)
ساختار بلوری در نمونه Co/Mg/Al-SO42-(6:4:1)به طور واضح مشاهده می گردد. لایه ها در بعضی نواحی روی یکدیگرقرار دارند و در نواحی دیگر در کنار یکدیگر به هم چسبیده و ذرات با قطر بالاتر را بوجود آورده اند. وجود ساختار لایه ای کریستالینیتی بالا با تقارن هگزاگونال را نشان می دهد.
طیف ارتعاشی هیدروتالسیت ها اشکال مختلفی از کشش گروه هیدروکسیل آب را نشان می دهنده که شامل ارتعاشات مولکولهای آب در لایه میانی بین لایه های هیدروکسید است که ممکن است پیوندهای با آنیون های بین لایه های هیدروکسید فلزات در ساختار هیدروتالسیت ایجاد کند، آب جذب شده در قسمت بیرونی سطح و آب آزاد بین لایه ها. به دلیل تغییر بزرگ در گشتاور دوقطبی، ارتعاشات کششی هیدروکسیل در آب شدید است. ارتعاشات کششی هیدروکسیل حالت های خمش آب در حدودcm-1 1600-1700 قرار دارندو ارتعاشات کششی OH در ناحیه 3000-4000 cm-1 است.
یونAl3+ بار بیشتر و اندازه کوچکتر(0.54 Å) در مقایسه با (0.72 Å)Mg2+دارد. جایگزینی Mg2+ با Al3+، در هیدروتالسیت ها، در مقایسه با بروسیت منجر به پیوندهای هیدروژنی قوی تر بین لایه های هیدروکسید می شود. این تغییر در طول پیوند O-H را می توان در تشخیص داد طیف مادون قرمز با جابهجایی به فرکانسهای بالاتر در ناحیه خمشی و تغییر به سمت پایینتر فرکانس در ناحیه کشش با استحکام پیوندهای هیدروژنی مرتبط است [9].
فرکانس طیف مادون قرمز ارتعاش کششی OH برای بروسیت در حدودcm-1 3570-3555 واقع شده است، در حالی که برای هیدروتالسیت های Mg،Al نوار مربوطه در حدود cm-1 3450 قرار دارد. این تغییر با پیوندهای O-H کوتاهتر موجود در آن مرتبط است. برای آب جذب شده روی خاک رس مواد معدنی حالت های کشش OH پیوندهای هیدروژنی ضعیف در منطقه بین 3500-3580 cm-1 رخ می دهد. در حالی که پیوندهای هیدروژنی قوی زیرcm-1 3420 مشاهده می شود.طیف های مادون قرمز تبدیل فوریه برای نانو هیدروتالسیت های سنتز شده در شکل (8) ارایه شده است.
شکل 8- طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه نانو هیدروتالسیت ها (HT-SO42-)
همانطور که در طیف نانو هیدروتالسیت های سنتز شده مشاهده می شود در همه نمونه های پیک در محدود cm-13300 -3500 ایجاد شده که به علت لرزش کششی پیوند هیدروژن در گروه OH لایه های هیدروکسید فلزات رخ می دهد. همانطور که مشاهده می شود با افزایش نسبت منیزیم به آلومنیوم این پیک به مقادیر بالاتر انتقال یافته است. این جابجایی به فضای لایه ای وابسته است و با افزایش مقدار یونهای دوظرفیتی افزایش می یابد و همچنین افزایش نظم در لایه های برونسیت می شود. دومین پیک مشترک در ترکیبات سنتز شده هیدروتالسیت، پیک ضعیف در محدوده 2100-2500 cm-1است که به صورت شکست در پیک قبل مشاهده می گردد. این بیانگر پیوند هیدروژن بین H2O و آنیون درون لایه است. در محدوده cm-11600 پیک ضعیف به علت لرزش پیوندی H2O بوجود آمده است. شدت این دو پیک به انواع آنیون ها و مقدار آب موجود در ترکیبات وابسته است.در شکل (8)طیف هیدررو تاسیت هایHT-SO42- یک پیک قوی در ناحیه cm-1 1100-1130 مشاهده می شود که مربوط به ارتعاش فلزات و اکسیژن یون سولفات ( Al-O وMg-O و Co-O) است [10].
نتیجه گیری
در این تحقیق هیدروتالسیت با آنیون سولفات سنتز شده است که با کنترل شرایط سنتزو جلوگیری از کلوخه شدن نانو هیدروتالسیت سنتز شده است .از نمکهای سولفات فلزات منیزیم ،آلومنیم و کبالت به عنوان مواد اولیه استفاده شده است.با توجه به اهمیت نسبت فلزات در ساختار هیدروتالسیت، با نسبت های متفاوتی از فلزات سنتز شده است.تقریبا مطالعاتی که هیدروتالسیت با نسبت های مختلف از فلزات دو ظرفیتی و سه ظرفیتی را در شرایط یکسان سنتز کرده باشند محدود است . از طرفی عموماساختار هیدروتالسیت شامل دو فلز می باشد.
آنالیزهای ساختارشناسایی بر روی نمونه های سنتز شده انجام شده است.ابعاد هیدروتالسیت های سنتز شده در ابعاد نانو است و فاصله بین لایه ها در ساختار بررسی شده است. با افزایش میزان کبالت در نمونه میزان بلورینگی کاهش می یابد.در تصاویر نانوهیدروتالسیت HT-SO42 ساختار لایه ای منظم تری را نشان می دهد و ذرات به میزان کمتری به صورت کلوخه مشاهده می شود.
Referenc
[1] R. Trujillano, F. M. Labajos, and V. Rives, “Hydrotalcites, a rapid survey on the very recent synthesis and applications procedures,” Appl Clay Sci, vol. 238, p. 106927, Jun. 2023, doi: 10.1016/J.CLAY.2023.106927.
[2] L. Jin, H. Y. Zeng, J. Z. Du, and S. Xu, “Intercalation of organic and inorganic anions into layered double hydroxides for polymer flame retardancy,” Appl Clay Sci, vol. 187, p. 105481, Mar. 2020, doi: 10.1016/J.CLAY.2020.105481.
[3] S. Mills, A. Christy, T. Kameda, J.-M. Génin, and F. Colombo, “Nomenclature of the hydrotalcite supergroup: Natural layered double hydroxides,” Mineral Mag, vol. 76, pp. 1289–1336, Oct. 2012, doi: 10.1180/minmag.2012.076.5.10.
[4] K. Parida, M. Satpathy, and L. Mohapatra, “Incorporation of Fe3+ into Mg/Al layered double hydroxide framework: effects on textural properties and photocatalytic activity for H2 generation,” J Mater Chem, vol. 22, no. 15, pp. 7350–7357, 2012, doi: 10.1039/C2JM15658J.
[5] M. Sun et al., “Heteropoly blue-modified ultrathin bismuth oxychloride nanosheets with oxygen vacancies for efficient photocatalytic nitrogen fixation in pure water,” J Colloid Interface Sci, vol. 677, pp. 610–619, Jan. 2025, doi: 10.1016/J.JCIS.2024.07.234.
[6] Y. Ohishi et al., “Mg–Fe–Al mixed oxides with mesoporous properties prepared from hydrotalcite as precursors: Catalytic behavior in ethylbenzene dehydrogenation,” Appl Catal A Gen, vol. 288, no. 1–2, pp. 220–231, Jul. 2005, doi: 10.1016/J.APCATA.2005.04.033.
[7] K. Shekoohi, F. S. Hosseini, A. H. Haghighi, and A. Sahrayian, “Synthesis of some Mg/Co-Al type nano hydrotalcites and characterization,” MethodsX, vol. 4, pp. 86–94, Jan. 2017, doi: 10.1016/J.MEX.2017.01.003.
[8] E. Conterosito, V. Gianotti, L. Palin, E. Boccaleri, D. Viterbo, and M. Milanesio, “Facile preparation methods of hydrotalcite layered materials and their structural characterization by combined techniques,” Inorganica Chim Acta, vol. 470, pp. 36–50, Jan. 2018, doi: 10.1016/J.ICA.2017.08.007.
[9] A. V Radha, L. Lander, G. Rousse, J. M. Tarascon, and A. Navrotsky, “Thermodynamic stability and correlation with synthesis conditions, structure and phase transformations in orthorhombic and monoclinic Li2M(SO4)2 (M = Mn, Fe, Co, Ni) polymorphs,” J Mater Chem A Mater, vol. 3, no. 6, pp. 2601–2608, 2015, doi: 10.1039/C4TA05066E.
[10] R. Frost, M. Hales, W. Martens, V. Vagvolgyi, J. Kristóf, and E. Horvath, “Dynamic and Controlled Rate Thermal analysis of hydrozincite and smithsonite,” J Therm Anal Calorim, vol. 92, Jun. 2008, doi: 10.1007/s10973-007-8846-5.
[1] 1 Hydrotalcite
[2] 2 Layered double hydroxides
[3] 3 Brucite-like sheet