В останні кілька років велика увага привертає до себе отримання нових матеріалів на основі рідкоземельних елементів і ітрію, що володіють унікальними властивостями. В роботі представлені результати дослідження впливу тривалості гідротермальної обробки на ряд фізико-хімічних властивостей продуктів гідролізу хлориду ітрію. За допомогою скануючої електронної мікроскопії вивчені морфологічні особливості отриманих зразків. Методом енергодисперсійного аналізу визначено склад зразків. Вивчено текстурні властивості методом низькотемпературної адсорбції азоту. Виміряна фотокаталітична активність зразків в реакції розкладання метилового оранжевого під ультрафіолетовим випромінюванням. визначено кислотні центри методом аминного титрування. Виявлено, що зі збільшенням часу гідротермальної обробки відбувається формування структур однорідного складу. Для зразків, отриманих при обробці в автоклаві протягом 72 годин, характерна наявність найбільшої кількості кислотних центрів Льюїса на поверхні, що призводить до кращого фотокаталітичною активності з усіх отриманих зразків в реакції розкладання метилового оранжевого. Отримані дані свідчать про можливість використання продуктів гідролізу хлориду ітрію в якості каталізаторів.

Анотація наукової статті з хімічних наук, автор наукової роботи - Буланова Олександра Володимирівна, Юдіна Катерина Петрівна, Авдін В'ячеслав Вікторович, Трунова Валерія Володимирівна, Головін Михайло Сергійович


ANALYSIS OF IMPACT OF HYDROTHERMAL TREATMENT DURATION ON PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF PRODUCTS OF YTTRIUM CHLORIDE HYDROLYSIS

Synthesis of novel materials on the basis of rare-earth elements and yttrium attracts much attention due to their unique properties. In this work the impact of hydrothermal treatment duration on physico-chemical and photocatalytic properties of products of yttrium chloride hydrolysis was investigated. Morphological features of materials were studied by the means of scanning electron microscopy. Elemental composition was determined with EDX analysis. Specific surface area was evaluated by the means low temperature nitrogen adsorption. Photocatalytic activity of synthesized materials was studied in photocatalytic degradation of methyl orange dye. It was found that increased duration of hydrothermal treatment causes formation of structures with homogeneous composition. Materials that were hydrothermally treated during 72 hours have few Lewis acid sites on its surface. This feature leads to the highest photocatalytic activity in methyl orange degradation. It may be concluded, that abovementioned materials fit well for the application as photocatalysts.


Область наук:

  • хімічні науки

  • Рік видавництва: 2018


    Журнал: Вісник Південно-Уральського державного університету. Серія: Хімія


    Наукова стаття на тему 'Аналіз впливу тривалості гідротермальної обробки на фізико-хімічні властивості продуктів гідролізу хлориду ітрію'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз впливу тривалості гідротермальної обробки на фізико-хімічні властивості продуктів гідролізу хлориду ітрію»

    ?УДК 544.77 + 546.05

    DOI: 10.14529 / chem180305

    АНАЛІЗ ВПЛИВУ ТРИВАЛОСТІ гідротермальних ОБРОБКИ НА ФІЗИКО-хімічні властивості продуктів гідролізу ХЛОРИДУ ітрій

    А.В. Буланова, Є.П. Юдіна, В.В. Авдін, В.В. Трунова, М.С. Головін, А.І. Зоріна

    Південно-Уральський державний університет, м Челябінськ, Росія

    В останні кілька років велика увага привертає до себе отримання нових матеріалів на основі рідкоземельних елементів і ітрію, що володіють унікальними властивостями.

    В роботі представлені результати дослідження впливу тривалості гідротермальної обробки на ряд фізико-хімічних властивостей продуктів гідролізу хлориду ітрію. За допомогою скануючої електронної мікроскопії вивчені морфологічні особливості отриманих зразків. Методом енергодисперсійного аналізу визначено склад зразків. Вивчено текстурні властивості методом низькотемпературної адсорбції азоту. Виміряна фотокаталітична активність зразків в реакції розкладання метилового оранжевого під ультрафіолетовим випромінюванням. Визначено кислотні центри методом аминного титрування.

    Виявлено, що зі збільшенням часу гідротермальної обробки відбувається формування структур однорідного складу. Для зразків, отриманих при обробці в автоклаві протягом 72 годин, характерна наявність найбільшої кількості кислотних центрів Льюїса на поверхні, що призводить до кращого фотокаталітичною активності з усіх отриманих зразків в реакції розкладання метилового оранжевого. Отримані дані свідчать про можливість використання продуктів гідролізу хлориду ітрію в якості каталізаторів.

    Ключові слова: хлорид ітрію, гідротермальних обробка, кислотні центри, питома площа поверхні, фотокаталітичне розкладання, каталізатори.

    Вступ

    Величезну роль в сучасній хімії займають каталітичні реакції [1, 2]. Неможливо уявити існування сучасного органічного синтезу без каталізу. Стрімкий розвиток каталітичних процесів у всіх галузях сучасної хімії привело до збільшення інтересу дослідників до питання створення нових типів каталізаторів. Все більше привертають увагу каталізатори на основі рідкоземельних елементів і ітрію [3-5]. Застосування сполук ітрію, зокрема хлориду і оксиду ітрію, в якості каталізаторів все частіше висвітлюється в сучасних дослідженнях [6, 7]. Хлорид ітрію запропонований як ефективний каталізатор при отриманні бензимідазолів [8] і бензотіазол [9], що є основою сучасних лікарських препаратів, для отримання біоразлагающейся полімерів [10]. Всі перераховані вище каталітичні реакції є гомогенними. При протіканні гомогенних каталітичних реакцій передбачається наявність додаткової стадії в процесі синтезу - процес вилучення каталізатора, що часто призводить до меншого фактичного виходу продукту і енергетичним і тимчасових витратах. Даний аспект є істотним недоліком при протіканні гомогенного каталізу. Одним із способів вирішення цієї проблеми є використання гетерогенного каталізу. У даній роботі розглядається можливість отримання гетерогенних каталізаторів на основі оксихлорида ітрію, що володіють малою розчинністю як в воді, так і в органічних розчинниках. В роботі вивчено вплив тривалості гідротермальної обробки на фізико-хімічні та фотокаталітичні властивості продуктів гідролізу хлориду ітрію.

    експериментальна частина

    Всі реагенти, використані для синтезу (оксид ітрію, кислота соляна, гідроксид натрію, ксіленовий помаранчевий, бензиламінів, толуол, метиловий червоний, метиловий оранжевий) придбані у Sigma Aldrich (99,99%) і застосовувалися без попереднього очищення. Для отримання розчинів солі оксид ітрію розчиняли в соляній кислоті (1 моль / л). Розчинення проводили при безперервному перемішуванні в стандартних умовах. Отриманий розчин хлориду ітрію (рН 2) фільтрували, і доводили концентрацію до 0,1 моль / л. Концентрацію отриманого розчину уточнювали комплексонометріческім титруванням ЕДТА з індикатором ксіленовим помаранчевим. Як гидролитического агента був обраний розчин гідроксиду натрію з концентрацією 1 моль / л. Гідроліз солей ітрію проводився із застосуванням золь-гель технології з гідротермальних закінченням. Синтез проводили при рН 7. Час гідротермальної обробки зразків склало 24, 72 і 120 годин, температура - 180 ° C. Гідротермальна обробка зразків проводилася в автоклавах з саморегулюючому тиском, ємністю 40 мл із заповненням 75%. Отримані зразки п'ятикратно відмивали дистильованою водою (до відсутності в промивних водах противоионов), потім сушили при 50 ° C під вакуумом (10 мбар) до постійної маси.

    Визначення питомої поверхні зразків проводили методом низькотемпературної адсорбції азоту з використанням Порометри Micromeritics ASAP-2020. Вимірам передувала стадія дегазації, яка проводилася протягом 2 годин при температурі 200 ° С і вакуумі 2 мбар. Питома поверхня була обчислена за методом БЕТ.

    Дослідження морфології і визначення елементного складу виконували на мікроскопі Jeol JSM-7001F з приставкою EDS Oxford INCA X-max 80.

    Для визначення наявності кислотних центрів на поверхні зразків використовували методику, описану в [11]. Як неполярного розчинника був використаний толуол. Наявність кислотних центрів на поверхні проводили в присутності метилового червоного (рКа = +4,8). Кількісне визначення кислотних центрів на поверхні зразків проводили відповідно до методики, описаної в [12]. Як індикатор був обраний метиленовий червоний. Як титранту використаний 0,1 М розчин бензиламінів в толуолі. Зразки попередньо були витримані в вакуумному шафі при температурі 70 ° С.

    Визначення фотокаталітичною активності зразків проводилося з використанням методики, описаної в [13].

    Обговорення результатів

    При вивченні продуктів гідролізу хлориду ітрію з різним часом гідротермальної обробки методом скануючої електронної мікроскопії було виявлено зміну морфології. Так при збільшенні часу гідротермальної обробки спостерігається формування частинок з однаковими морфологічними ознаками. При 120 годинах гідротермальної обробки формуються пластинчасті частинки, відокремлені один від одного. Товщина платівок становить 0,5-1 нм, діаметр 500 нм. Для зразків, отриманих при часу гідротермальної обробки 24 і 74 ч характерно формування не тільки пластинчастих структур, а й октаедріче-ських щільних утворень (див. Малюнок). В останньому випадку зазначається також неоднорідність складу. Особливо це яскраво виражено при часу обробки в 24 ч, де фаза, що складається з октаедрів, має співвідношення хлору і ітрію в складі 1: 2,8, а пластинчатая фаза містить більше хлору (1: 2,6). При тривалості синтезу 72 ч фаза, що складається з октаедрів, має співвідношення хлору і ітрію в складі 1: 2,9, а пластин 1: 2. Кожного разу синтезу 120 ч помітно наявність однієї фази має співвідношення ітрію і хлору 1: 2.

    У табл. 1 представлений елементний склад зразків, представлених вище. За табличними даними можна простежити залежність змін елементного складу від часу. Співвідношення хлору взято не на 100% складу зразка, а тільки по відношенню до иттрию.

    Представлений в таблиці елементний склад показує, що зі збільшенням часу синтезу вміст хлору в зразках збільшується.

    Час гідротермальної обробки трохи змінює питому поверхню. При 120-годинний обробці питома поверхня більш ніж в два рази вище, ніж при 72-годинний і в 1,5 рази вище, ніж при 24-годинному.

    Вісник ЮУрГУ. Серія «Хімія». 2018. Т. 10, № 3. С. 46-50

    а Б В)

    Мікрофотографії продуктів гідролізу хлориду ітрію, отриманих при різному часі гідротермальної обробки: а) 24 години, б) 72 години, в) 120 годин

    Таблиця 1

    Елементний склад зразків

    № зразка Гідролітична агент рН Час, ч Склад, атомні% Y: Cl

    Y Cl

    1 NaOH 7,0 24 7,6 2,8 1: 0,367

    2 NaOH 7,0 72 12,1 5,2 1: 0,428

    3 NaOH 7,0 120 19,8 8,6 1: 0,434

    При визначенні наявності кислотних центрів спостерігалася зміна забарвлення індикатора, що свідчить про присутність кислотних центів Льюїса на поверхні отриманих зразків. У табл. 2 наведені результати аминного титрування для зразків і результати фотокаталітичного розкладання метилового оранжевого (МО). Найбільша кількість кислотних центрів виявлено для зразків, отриманих при часу гідротермальної обробки 72 год. Ці ж зразки показали і найбільшу фотокаталі ++ тическую активність при розкладанні МО, незважаючи на найменшу питому поверхню. Це узгоджується з уявленнями про залежність наявності кислотних центрів з каталітичної активністю речовин.

    Таблиця 2

    Властивості поверхні і фотокаталітичною активності зразків

    Час синтезу, ч S, м2 / г Зменшення концентрації МО,%, після 3 год Кількість кислотних центрів, мг-екв / г, (ммоль / м2)

    24 16 2,92 0,342 (0,0213)

    72 11 18,25 0,403 (0,0366)

    120 23 10,04 0,382 (0,0166)

    Встановлено, що значення концентрації кислотних центрів, отримані при Амін титрування, для всіх зразків перевищують значення для такої кислоти Льюїса, як сульфат нікелю [12]. Це дає підстави вважати отримані зразки перспективними Фотокаталізатор, що володіють кислотними центрами Льюїса.

    висновок

    Встановлено, що тривалість гідротермальної обробки істотно впливає на структуру зразків і властивості поверхні. Отримані значення кількості кислотних центрів на поверхні і проявлена ​​фотокаталітична активність синтезованих об'єктів дають підстави вважати про перспективність їх використання в якості гетерогенних каталізаторів в органічному синтезі і в сучасних технологіях ресурсозбереження.

    Робота виконана за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки Російської Федерації (грант N6 4.9722.2017 / 8.9).

    Література / References

    1. Guvenatam B. Decomposition of Lignin Model Compounds by Lewis Acid Catalysts in Water and Ethanol. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2015-го, vol. 410, pp. 89-99. D01: org / 10.1016 / j.molcata.2015.09.007.

    2. Hanessian S., Focken T., Rupal O. Lewis-Acid Catalyzed Formation of Dihydropyrans. Tetrahedron, 2011, vol. 67, pp. 9870-9884. D01: 10.1016 / j.tet.2011.09.069.

    3. Sun L., Tan Y., Zhang Q., Xie H., Song F., Han Y. Effects of Y2O3-modification to Ni / g-Al2O3 Catalysts on Autothermal Reforming of Methane with CO2 to Syngas. International journal of hydrogen energy, 2013, vol. 38, pp. 1892-1900. DOI: org / 10.1016 / j.ijhydene.2012.11.114.

    4. Wanga T., Glasper J.A., Shanks B. Kinetics of Glucose Dehydration Catalyzed by Homogeneous Lewis Acidic Metal Salts in Water. Applied Catalysis A: General, 2015-го, vol. 498, pp. 214-221. DOI: org / 10.1016 / j.apcata.2015.03.037.

    5. Xu B., Zhang Q., Yuan S., Zhang M., OhnoT. Morphology Control and Photocatalytic Characterization of Yttrium-Doped Hedgehog-Like CeO2. Applied Catalysis B: Environmental, 2015-го, vol. 164, pp. 120-127. DOI: org / 10.1016 / j.apcatb.2014.07.045.

    6. Akbari-Fakhrabadi A., Saravanan R., Jamshidijam M., Mangalaraja R.V., Gracia M.A. Preparation of Nanosized Yttrium Doped CeO2 Catalyst Used for Photocatalytic Application. Journal of Saudi Chemical Society, 2015-го, vol. 19, pp. 505-510. DOI: org / 10.1016 / j.jscs.2015.06.003.

    7. Basavegowda N., Mishra K, Thombal R.S., Kaliraj K., Lee Y.R. Sonochemical Green Synthesis of Yttrium Oxide (Y2O3) Nanoparticles as a Novel Heterogeneous Catalyst for the Construction of Biologically Interesting 1,3-Thiazolidin-4-ones. Catal Lett, 2017. DOI: 10.1007 / s10562-017-2168-4.

    8. Subrahmanyam Ch.S., Narayanan S. Yttrium (III) Chloride: A Mild and Efficient Catalyst for Synthesis of Benzimidozoles. International Journal of Applied Biology and Pharmaceutical Technology 2010, vol. 1 (2), pp. 689-794.

    9. Fan L.Y. Yttrium-Catalyzed Heterocyclic Formation Via Aerobic Oxygenation: A Green Approach to Benzothiazoles. Chin. Chem. Lett, 2015-го, vol. 26, pp. 77-80. DOI: org / 10.1016 / j.cclet.2014.10.017.

    10. Mclain, Stephan J., Drysdale, Neville E. Yttrium and rare earth compounds catalyzed lactone polymerization United States Patent 5028667 07/02/1991

    11. Forni L. Comparison of the Methods for the Determination of Surface Acidity of Solid Catalysts. Catalysis Reviews: Science and Engineering, 1974, vol. 8 (1), pp. 65-115. DOI: org / 10.1080 / 01614947408071857.

    12. Tanabe K., Katayama M. The Acidity of Solid Surfaces. Journal of the Research Institute for Catalysis, 1959, vol. 14, pp. 106-113.

    13. Okte N., OzgeY. Photodecolorization of Methyl Orange by Yttrium Incorporated TiO2 Supported ZSM-5. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, vol. 85, pp. 92-102. DOI: 10.1016 / j.apcatb.2008.07.025.

    Буланова Олександра Володимирівна - завідувач лабораторією НОЦ «Нанотехноло-гии», Південно-Уральський державний університет. 454080, м Челябінськ, пр. Леніна, 76. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Юдіна Катерина Петрівна - кандидат хімічних наук, доцент, кафедра екології та хімічної технології, Південно-Уральський державний університет. 454080, м Челябінськ, пр. Леніна, 76. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Авдін В'ячеслав Вікторович - доктор хімічних наук, професор, декан хімічного факультету, Південно-Уральський державний університет. 454080, м Челябінськ, пр. Леніна, 76. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Трунова Валерія Володимирівна - студент, Південно-Уральський державний університет. 454080, Челябінськ, пр. Леніна, 76. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Головін Михайло Сергійович - студент, Південно-Уральський державний університет. 454080, м Челябінськ, пр. Леніна, 76. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Зоріна Анна Ігорівна - студент, Південно-Уральський державний університет. 454080, Челябінськ, пр. Леніна, 76. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Надійшла до редакції 25 травня 2018 р.

    Вісник ЮУрГУ. Серія «Хімія». 2018. Т. 10, № 3. С. 46-50

    DOI: 10.14529 / chem180305

    ANALYSIS OF IMPACT OF HYDROTHERMAL TREATMENT DURATION ON PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF PRODUCTS OF YTTRIUM CHLORIDE HYDROLYSIS

    A.V. Bulanova, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. E.P. Yudina, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. V.V. Avdin, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. V. V. Trunova, valeriya 74ru @ mail. ru M.S. Golovin, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. A.I. Zorina, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

    Synthesis of novel materials on the basis of rare-earth elements and yttrium attracts much attention due to their unique properties.

    In this work the impact of hydrothermal treatment duration on physico-chemical and photocatalytic properties of products of yttrium chloride hydrolysis was investigated. Morphological features of materials were studied by the means of scanning electron microscopy. Elemental composition was determined with EDX analysis. Specific surface area was evaluated by the means low temperature nitrogen adsorption. Photocatalytic activity of synthesized materials was studied in photocatalytic degradation of methyl orange dye.

    It was found that increased duration of hydrothermal treatment causes formation of structures with homogeneous composition. Materials that were hydrothermally treated during 72 hours have few Lewis acid sites on its surface. This feature leads to the highest photocatalytic activity in methyl orange degradation. It may be concluded, that abovementioned materials fit well for the application as photocatalysts.

    Keywords: yttrium chloride, hydrothermal treatment, acid sites, specific surface area, photocatalytic degradation, catalysts.

    Received 25 May 2018

    ЗРАЗОК ЦИТУВАННЯ

    Аналіз впливу тривалості гідротермальної обробки на фізико-хімічні властивості продуктів гідролізу хлориду ітрію / А.В. Буланова, Є.П. Юдіна, В.В. Авдін і ін. // Вісник ЮУрГУ. Серія «Хімія». -2018. - Т. 10, № 3. - С. 46-50. DOI: 10.14529 / ЛетШ305

    FOR CITATION

    Bulanova A.V., Yudina E.P., Avdin V.V., Trunova V.V., Golovin M.S., Zorina A.I. Analysis of Impact of Hydrothermal Treatment Duration on Physico-Chemical Properties of products of Yttrium Chloride Hydrolysis. Bul-letinof the South Ural State University. Ser. Chemistry. 2018, vol. 10, no. 3, pp. 46-50. (In Russ.). DOI: 10.14529 / chem180305


    Ключові слова: ХЛОРИД ітрій /YTTRIUM CHLORIDE /гідротермальні ОБРОБКА /HYDROTHERMAL TREATMENT /КИСЛОТНІ ЦЕНТРИ /ПИТОМА ПЛОЩА ПОВЕРХНІ /SPECIFIC SURFACE AREA /фотокаталітичним РОЗКЛАДАННЯ /PHOTOCATALYTIC DEGRADATION /каталізатором /CATALYSTS /ACID SITES

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити