Formation, Morphology, and Size Parameters of Nanopowders Based on Mg3Si2O5(OH)4–Ni3Si2O5(OH)4 Nanoscrolls

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We have studied the effect of the composition of starting Mg1 – хNiх(OH)2 nanoplates on the formation of (Mg1 – хNiх)3Si2O5(OH)4 nanoscrolls under hydrothermal conditions and determined the structure, morphology, size parameters, and specific surface area of the synthesized nanopowders based on (Mg1 – хNiх)3Si2O5(OH)4 hydrosilicates with the chrysotile structure. The thermodynamically driven dehydration of the starting (Mg1 – хNiх)(OH)2 hydroxide with х ≳ 0.4 during hydrothermal treatment of a mixture of magnesium nickel hydroxide nanoplates and silica gel (SiO2∙nH2O) particles dispersed in an aqueous sodium hydroxide solution has been shown to play a key role in determining the formation and structural characteristics of (Mg1 – хNiх)3Si2O5(OH)4 nanopowders with tubular structure.

About the authors

M. E. Kurguzkina

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences; St. Petersburg State Electrotechnical University

Email: kotovamaria715@gmail.com
199034, St. Petersburg, Russia; 197022, St. Petersburg, Russia

T. P. Maslennikova

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences; St. Petersburg State Electrotechnical University

Email: kotovamaria715@gmail.com
199034, St. Petersburg, Russia; 197022, St. Petersburg, Russia

V. V. Gusarov

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kotovamaria715@gmail.com
199034, St. Petersburg, Russia

References

  1. Zhuang Y., Yang Y., Xiang G., Wang X. Magnesium Silicate Hollow Nanostructures as Highly Efficient Absorbents for Toxic Metal Ions // J. Phys. Chem. 2009. V. 113. № 24. P. 10441−10445. https://doi.org/10.1021/jp9014756
  2. Tripathi S., Roy A., Nair S., Durani S., Bose R. Removal of U(VI) from Aqueous Solution by aAdsorption onto Synthesized Silica and Zinc Silicate Nanotubes: Equilibrium and Kinetic Aspects with Application to Real Samples // Environ. Nanotechnol., Monitoring Management. 2018. V. 10. P. 127−139. https://doi.org/10.1016/j.enmm.2018.05.003
  3. Cao C.-Y., Wei F., Qu J., Song W.-G. Programmed Synthesis of Magnetic Magnesium Silicate Nanotubes with High Adsorption Capacities for Lead and Cadmium Ions // Chem. Eur. J. 2013. V. 19. № 5. P. 1558−1562. https://doi.org/10.1002/chem.201203986
  4. Qu J., Li W., Cao C.-Y., Yin X.-J., Zhao L., Bai J., Qin Z., Song W.-G. Metal Silicate Nanotubes with Nanostructured Walls as Superb Adsorbents for Uranyl Ions and Lead Ions in Water // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. № 33. P. 17222–17226. https://doi.org/10.1039/c2jm33178k
  5. Sun X., Liu X., Yang B., Xu L., Yu S. Functionalized Chrysotile Nanotubes with Mercapto Groups and Their Pb(II) and Cd(II) Adsorption Properties in Aqueous Solution // J. Mol. Liq. 2015. V. 208. P. 347–355. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2015.04.060
  6. Голубева О.Ю., Масленникова Т.П., Ульянова Н.Ю., Дякина М.П. Сорбция ионов свинца (II) и паров воды синтетическими гидро- и алюмосиликатами со слоистой, каркасной и нанотрубчатой морфологией // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40. № 2. С. 323–330.
  7. Cheng L., Yu S., Zha C., Yao Y., Pan X. Removal of Simulated Radionuclide Ce(III) from Aqueous Solution by As-Synthesized Chrysotile Nanotubes // Chem. Eng. J. 2012. V. 213. P. 22–30.https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.09.083
  8. Cheng L., Zhai L., Liao W., Huang X., Niu B., Yu Sh. An Investigation on the Behaviors of Thorium(IV) Adsorption onto Chrysotile Nanotubes // J. Environ. Chem. Eng. 2014. V. 2. № 3. P. 1236–1242. https://doi.org/10.1016/j.jece.2014.05.014
  9. Olson B.G., Decker J.J., Nazarenko S., Yudin V.E., Otaigbe J.U., Korytkova E.N., Gusarov V.V. Aggregation of Synthetic Chrysotile Nanotubes in the Bulk and in Solution Probed by Nitrogen Adsorption and Viscosity Measurements // J. Phys. Chem. 2008. V. 112. № 33. P. 12943–12950. https://doi.org/10.1021/jp801522q
  10. Bian Z., Li Z., Ashok J., Kawi S. A Highly Active and Stable Ni–Mg Phyllosilicate Nanotubular Catalyst for Ultrahigh Temperature Water-Gas Shift Reaction // Chem. Commun. 2015. V. 51. P. 16324–16326. https://doi.org/10.1039/C5CC05226B
  11. Liu Q., Peng H., Tian X., Guo J. Synthesis of Chrysotile Based Nanocomposites for Tuning Band Gap and Photocatalytic Property // Appl. Clay Sci. 2020. V. 199. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105885
  12. Teixeira A.P.C., Santos E.M., Vieira A.F.P., Lago R.M. Use of Chrysotile to Produce Highly Dispersed K-Doped MgO Catalyst for Biodiesel Synthesis // Chem. Eng. J. 2013. V. 232. P. 104–110. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.07.065
  13. Lopez-Salinas E., Toledo-Antonio J.A., Manriquez M.E., Sanchez-Cantu M., Cruz Ramos I., Hernandez-Cortez J.G. Synthesis and Catalytic Activity of Chrysotile-Type Magnesium Silicate Nanotubes Using Various Silicate Sources // Microporous Mesoporous Mater. 2019. V. 274. P. 176–182. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.07.041
  14. Везенцев А.И., Макридина О.И., Смоликов А.А. Защитно-декоративная жидкостекольная композиция для кровельных хризотил-цементных изделий // Вестн. БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. Т. 1. С. 47–50.
  15. Ястребинский Р.Н. Нанодисперсный хризотиловый наполнитель для термостойких радиационно-защитных композитов // Междун. науч.-исслед. журн. 2016. Т. 8. № 50. С. 123–129. https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.50.180
  16. Habaue S., Hirasa T., Akagi Y., Yamashita K., Kajiwara M. Synthesis and Property of Silicone Polymer from Chrysotile Asbestos by Acid-Leaching and Silylation // J. Inorg. Organomet. Polym. 2006. V. 16. № 2. P. 155–160. https://doi.org/10.1007/s10904-006-9038-7
  17. Schwanke A.J., Lopes C.W., Pergher S.B.C. Synthesis of Mesoporous Material from Chrysotile-Derived Silica // Mater. Sci. 2013. V. 4. № 8. P. 68–72. https://doi.org/10.4236/msa.2013.48a009
  18. Gubanova G., Kononova S., Bronnikov S., Romashkova K., Sukhanova T., Korytkova E., Timpu D., Cristea M., Harabagiu V. Nanocomposites Based on Aromatic Polyamide-Imide and Magnesium Hydrosilicate Nanotubes // J. Macromol. Sci., Phys. 2014. V. 53. № 4. P. 555–567. https://doi.org/10.1080/00222348.2013.847399
  19. Губанова Г.Н., Кононова С.В., Вылегжанина М.Э., Суханова T.E., Григорьев А.И., Ромашкова К.А., Светличный В.М., Корыткова Э.Н., Кристи М., Тимпу Д., Харабаджу В. Структура, морфология и теплофизические свойства нанокомпозитов на основе полиамидоимида и гидросиликатных нанотрубок // Журн. прикл. химии. 2010. Т. 83. № 12. С. 2048–2055.
  20. Kononova S.V., Gubanova G.N., Korytkova E.N., Sapegin D.A., Setnickova K., Petrychkovych R., Uchytil P. Polymer Nanocomposite Membranes // Appl. Sci. 2018. V. 8. № 7. P. 1–42. https://doi.org/10.3390/app8071181
  21. Yudin V.E., Otaigbe J.U., Gladchenko S., Olson B.G., Nazarenko S., Korytkova E.N., Gusarov V.V. New Polyimide Nanocomposites Based on Silicate Type Nanotubes: Dispersion, Processing and Properties // Polymer. V. 48. № 5. P. 1306–1315. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.01.012
  22. Yang Y., Liang Q., Li J., Zhuang Y., He Y., Bai B., Wang X. Ni3Si2O5(OH)4 Multi-Walled Nanotubes with Tunable Magnetic Properties and Their Application as Anode Materials for Lithium Batteries // Nano Res. 2011. V. 4. № 9. P. 882–890. https://doi.org/10.1007/s12274-011-0144-7
  23. Храпова Е.К., Ежов И.С., Румянцев А.М., Жданов В.В., Красилин А.А. Нанотубулярный гидросиликат никеля и продукты его термического отжига в качестве анодных материалов литий-ионных аккумуляторов // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 12. С. 1317–1327. https://doi.org/10.31857/S0002337X2012009X
  24. Krasilin A.A., Bodalyov I.S., Malkov A.A., Khrapova E.K., Maslennikova T.P., Malygin A.A. On an Adsorption/Photocatalytic Performance of Nanotubular Mg3Si2O5(OH)4/TiO2 Composite // Nanosyst.: Phys. Chem. Math. 2018. V. 9. № 3. P. 410–416. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2018-9-3-410-416
  25. Масленникова Т.П., Гатина Э.Н., Котова М.Е., Уголков В.Л., Абиев Р.Ш., Гусаров В.В. Формирование наносвитков гидросиликата магния со структурой хризотила из нанокристаллического гидроксида магния и их термически стимулированная трансформация // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 11. С. 1192–1201. https://doi.org/10.31857/S0002337X22110112
  26. Krasilin A.A., Khrapova E.K., Maslennikova T.P. Cation Doping Approach for Nanotubular Hydrosilicates Curvature Control and Related Applications // Crystals. 2020. V. 10. № 8. P. 1–41. https://doi.org/10.3390/cryst10080654
  27. Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н. Гидротермальный синтез нанотрубок на основе гидросиликатов (Mg,Fe,Co,Ni)3Si2O5(OH)4 // Физика и химия стекла. 2010. Т. 36. № 1. С. 69–78.
  28. Корыткова Э.Н., Маслов А.В., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Формирование нанотрубок состава Mg3Si2O5(OH)4 в гидротермальных условиях // Физика и химия стекла. 2004. Т. 30. № 1. С. 72–78.
  29. Корыткова Э.Н., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Синтез нанотрубчатых Ni- и Ni-Mg-гидросиликатов в гидротерамальных условиях // Физика и химия стекла. 2005. Т. 31. № 6. С. 1099–1105.
  30. Корыткова Э.Н., Маслов А.В., Пивоварова Л.Н., Полеготченкова Ю.В., Повинич В.Ф., Гусаров В.В. Образование нанотрубчатых гидросиликатов системы Mg3Si2O5(OH)4–Ni3Si2O5(OH)4 при повышенных температурах и давлениях // Неорган. материалы. 2005. Т. 41. № 7. С. 849–855.
  31. Корыткова Э.Н., Бровкин А.С., Масленникова Т.П., Пивоварова Л.Н., Дроздова И.А. Влияние физико-химических параметров синтеза на рост нанотрубок состава Mg3Si2O5(OH)4 на затравках в гидротермальных условиях // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 2. С. 215–228.
  32. Красилин А.А., Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Влияние строения исходной композиции на формирование нанотубулярного гидросиликата магния // Неорган. материалы. 2011. Т. 47. № 10. С. 1222–1226.
  33. Масленникова Т.П., Корыткова Э.Н. Влияние физико-химических параметров синтеза на рост нанотрубок Ni3Si2O5(OH)4 и заполнение их растворами гидроксидов и хлоридов щелочных металлов // Физика и химия стекла. 2013. Т. 39. № 1. С. 99–107.
  34. Jancar B., Suvorov D. The Influence of Hydrothermal-Reaction Parameters on the Formation of Chrysotile Nanotubes // Nanotechnology. 2006. V. 17. № 1. P. 25–29. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/1/005
  35. White R.D., Bavykin D.V., Walsh F.C. Morphological Control of Synthetic Ni3Si2O5(OH)4 Nanotubes in an Alkaline Hydrothermal Environment // J. Mater. Chem. 2013. V. 1. № 3. P. 548–556. https://doi.org/10.1039/C2TA00257D
  36. Lafay R., Montes-Hernandez G., Janots E., Chiriac R., Findling N., Toche F. Nucleation and Growth of Chrysotile Nanotubes in H2SiO3/MgCl2/NaOH Medium at 90 to 300°C // Chem. Eur. J. 2013. V. 19. № 17. P. 5417–5424. https://doi.org/10.1002/chem.201204105
  37. McDonald A., Scott B., Villemure G. Hydrothermal Preparation of Nanotubular Particles of a 1 : 1 Nickel Phyllosilicate // Microporous Mesoporous Mater. 2009. V. 120. № 3. P. 263–266. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2008.11.013
  38. Alvarez-Ramírez F., Toledo-Antonio J.A., Angeles-Chavez C. Complete Structural Characterization of Ni3Si2O5(OH)4 Nanotubes: Theoretical and Experimental Comparison // J. Phys. Chem. 2011. V. 115. № 23. P. 11442–11446. https://doi.org/10.1021/jp201941x
  39. Whittaker E.J.W. The Structure of Chrysotile // Acta Crystallogr. 1953. V. 6. P. 747–748. https://doi.org/10.1107/S0365110X53002118
  40. Yada K. Study of Microstructure of Chrysotile Asbestos by High Resolution Electron Microscopy // Acta Crystallogr., Sect. A: Found. Crystallogr. 1971. V. 27. P. 659–664. https://doi.org/10.1107/S0567739471001402
  41. Falini G., Foresti E., Gazzano M., Gualtieri A.F., Leoni M., Lesci I.G., Roveri N. Tubular-Shaped Stoichiometric Chrysotile Nanocrystals // Chem. Eur. J. 2004. V. 10. № 12. P. 3043–3049. https://doi.org/10.1002/chem.200305685
  42. Sprynskyy M., NiedojadŁo J., Buszewski B. Structural Features of Natural and Acids Modified Chrysotile Nanotubes // J. Phys. Chem. Solids. 2011. V. 72. № 9. P. 1015–1026. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2011.05.013
  43. Skinner H.C.W., Ross M., Frondel C. Asbestos and other Fibrous Minerals. Mineralogy, Crystal Chemistry and Health Effects. N. Y.: Oxford Univ. Press, 1988. 222 p.
  44. Везенцев А.И., Горшков А.И., Смоликов А.А., Бахтин А.И., Диков Ю.П. Синтез минералов ряда хризотил – пекораит // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1991. Т. 8. С. 146–152.
  45. Kotova M.E., Maslennikova T.P., Ugolkov V.L., Gusarov V.V. Formation, Structure, Composition in the Dispersed State, and Behavior of Nanoparticles Heated in the Mg(OH)2–Ni(OH)2 System // Nanosyst.: Phys. Chem. Math. 2022. V. 13. № 5. P. 514–524. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2022-13-5-514-524
  46. Levin A., Khrapova E., Kozlov D., Krasilin A., Gusarov V. Structure Refinement, Microstrains and Crystallite Sizes of Mg-Ni-Phyllosilicate Nanoscroll Powders // J. Appl. Crystallogr. 2022. V. 55. P. 484–502. https://doi.org/10.1107/S1600576722003594
  47. Krasilin A.A., Suprun A.M., Ubyivovk E.V., Gusarov V.V. Morphology vs. Chemical Composition of Single Ni-doped Hydrosilicate Nanoscroll // Mater. Lett. 2016. V. 171. P. 86–71. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.01.152
  48. Krasilin A.A., Gusarov V.V. Redistribution of Mg and Ni Cations in Crystal Lattice of Conical Nanotube with Chrysotile Structure // Nanosyst.: Phys., Chem., Math. 2017. V. 8. № 5. P. 620–627. https://doi.org/10.17586/22208054201785620627
  49. Krasilin A.A., Khrapova E.K., Nomine A., Ghanbaja J., Belmonte T., Gusarov V.V. Cations Redistribution along the Spiral of Ni-doped Phyllosilicate Nanoscrolls: Energy Modelling and STEM/EDS Study // ChemPhysChem. 2019. V. 20. № 5. P.719–726. https://doi.org/10.1002/cphc.201801144
  50. Iorish V.S., Belov G.V. IVTANTHERMO/WIN – Database and Software for High Temperature Chemical Processes Modeling // 9th Int. Conf. on High Temperature Materials Chemistry. Penn State University, 1997. P. 42.
  51. Belov G.V., Dyachkov S.A., Levashov P.R., Lomonosov I.V., Minakov D.V., Morozov I.V., Sineva M.A., Smirnov V.N. The IVTANTHERMO-Online Database for Thermodynamic Properties of Individual Substances with Web Interface // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 946. P. 012120. https://doi.org/10.1088/1742-6596/946/1/012120

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (511KB)
Indexing metadata
3.

Download (97KB)
Indexing metadata
4.

Download (4MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 М.Е. Кургузкина, Т.П. Масленникова, В.В. Гусаров