Визначення залежністі структури Zn-Al подвійно-шарових гідроксидів, як матриці для інтеркалювання функціональними аніонами, від умов синтезу

Автор(и)

  • Вадим Леонідович Коваленко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-8012-6732
  • Анастасія Юріївна Борисенко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-2732-5660
  • Валерій Анатолійович Коток Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-8879-7189
  • Ровіл Касимович Нафєєв Державний університет телекомунікацій, Україна https://orcid.org/0000-0003-2721-9718
  • Володимир Валентинович Вербицький Національний педагогічний університет ім. Драгоманова; Національний еколого-натуралістичний центр учнівської молоді, Україна https://orcid.org/0000-0001-7045-8293
  • Олена Сергіївна Мельник Сумський національний аграрний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-5763-0431

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252738

Ключові слова:

Zn–Al подвійно-шаровий гідроксид, кристалічність, інтеркалювання, нітрат, ренгенофазовий аналіз

Анотація

Подвійно-шарові гідроксиди, особливо Zn-Al, є цінними матрицями для інтеркалювання різними функціональними аніонами: барвниками, лікарськими засобами, харчовими добавками тощо. Для цілеспрямованої розробки та оптимізації технології синтезу Zn-Al гідроксидів, інтеркальованих функціональними аніонами, був досліджений фазовий склад та кристалічна структура зразків Zn-Al-нітратного подвійно-шарового гідроксиду (Zn:Al=4:1), синтезованих при швидкостях подачі розчинів 0,8 и 1,6 л/год, рН=7, 8, 9, 10 и t=10, 20, 30, 40, 50 и 60 °С. Методом ренгенофазового аналізу показано, що всі зразки, синтезовані при різних температурах, рН та швидкостях подачі розчину, є Zn-Al ПШГ із кристалічною решіткою α-Zn(OH)2 середньої кристалічності, із домішкою оксидної фази з решіткою ZnO. На залежності розміру кристаліту зразка від температури синтезу було виокремлено три ділянки: 10–20 °С, 30–50 °С и 60 °С, в межах яких підвищення температури призводить до підвищення кристалічності. Висловлено гіпотезу щодо зміни механізму або кінетики формування ПШГ при температурах 30 °С и 60 °С. Підвищення рН синтезу і швидкості подачі розчинів призводить до збільшення кристалічності.

Проведено ретроспективний порівняльний аналіз фазового складу та кристалічної структури зразків Zn-Al-нітратних і Zn-Al-триполіфосфатних (Тартразин або Orange Yellow S) ПШГ. Виявлено, що при використанні великих та багатозарядних функціональних аніонів відбувається суттєва адсорбція на зародках осаду та ускладнена інтеркаляція. В результаті формується низька кристалічність (Тартразин-аніон) або відбувається розпад значної частки ПШГ до оксиду (триполіфосфат- та Orange Yellow S аніони)

Біографії авторів

Вадим Леонідович Коваленко, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок і косметичних засобів

Анастасія Юріївна Борисенко, Український державний хіміко-технологічний університет

Аспірантка

Кафедра аналітичної хімії та хімічних технологій харчових добавок та косметичних засобів

Валерій Анатолійович Коток, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра процесів і апаратів, та загальної хімічної технології

Ровіл Касимович Нафєєв, Державний університет телекомунікацій

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра фізики

Володимир Валентинович Вербицький, Національний педагогічний університет ім. Драгоманова; Національний еколого-натуралістичний центр учнівської молоді

Доктор педагогічних наук, професор

Кафедра медико-біологічних та валеологічних основ охорони життя і здоров’я

Олена Сергіївна Мельник, Сумський національний аграрний університет

Кандидат технічних наук, доцент, старший науковий співробітник

Науково-дослідна частина

Посилання

  1. Kesavan Pillai, S., Kleyi, P., de Beer, M., Mudaly, P. (2020). Layered double hydroxides: An advanced encapsulation and delivery system for cosmetic ingredients-an overview. Applied Clay Science, 199, 105868. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105868
  2. Viseras, C., Sánchez-Espejo, R., Palumbo, R., Liccardi, N., García-Villén, F., Borrego-Sánchez, A. et. al. (2022). Clays in cosmetics and personal-care products. Clays and Clay Minerals. doi: https://doi.org/10.1007/s42860-021-00154-5
  3. Zaichuk, A. V., Amelina, A. A. (2018). Blue-green ceramic pigments in the system CaO–MgO–Al2O3–SiO2–CoO–Cr2O3 based on granulated blast-furnace slag. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 6, 120–124. doi: https://doi.org/10.32434/0321-4095-2018-121-6-120-124
  4. Zaychuk, A. V., Beliy, Ya. I. (2012). Korichnevye keramicheskie pigmenty na osnove martenovskogo shlaka. Zhurnal prikladnoy himii, 85 (10), 1595–1600.
  5. Zaychuk, A., Iovleva, J. (2013). The Study of Ceramic Pigments of Spinel Type with the Use of Slag of Aluminothermal Production of Ferrotitanium. Chemistry & Chemical Technology, 7 (2), 217–225. doi: https://doi.org/10.23939/chcht07.02.217
  6. Zaychuk, A. V., Beliy, Ya. I. (2013). Sovershenstvovanie sostavov i svoystv seryh keramicheskih pigmentov. Steklo i keramika, 6, 32–37.
  7. Zaychuk, A. V., Amelina, A. A. (2017). Poluchenie uvarovitovyh keramicheskih pigmentov s primeneniem granulirovannogo domennogo shlaka. Steklo i keramika, 3, 32–36. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=28926823
  8. Khan, A. I., Ragavan, A., Fong, B., Markland, C., O’Brien, M., Dunbar, T. G. et. al. (2009). Recent Developments in the Use of Layered Double Hydroxides as Host Materials for the Storage and Triggered Release of Functional Anions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 48 (23), 10196–10205. doi: https://doi.org/10.1021/ie9012612
  9. Mandal, S., Tichit, D., Lerner, D. A., Marcotte, N. (2009). Azoic Dye Hosted in Layered Double Hydroxide: Physicochemical Characterization of the Intercalated Materials. Langmuir, 25 (18), 10980–10986. doi: https://doi.org/10.1021/la901201s
  10. Mandal, S., Lerner, D. A., Marcotte, N., Tichit, D. (2009). Structural characterization of azoic dye hosted layered double hydroxides. Zeitschrift Für Kristallographie, 224 (5-6), 282–286. doi: https://doi.org/10.1524/zkri.2009.1150
  11. Wang, Q., Feng, Y., Feng, J., Li, D. (2011). Enhanced thermal- and photo-stability of acid yellow 17 by incorporation into layered double hydroxides. Journal of Solid State Chemistry, 184 (6), 1551–1555. doi: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2011.04.020
  12. Liu, J. Q., Zhang, X. C., Hou, W. G., Dai, Y. Y., Xiao, H., Yan, S. S. (2009). Synthesis and Characterization of Methyl-Red/Layered Double Hydroxide (LDH) Nanocomposite. Advanced Materials Research, 79-82, 493–496. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.79-82.493
  13. Tian, Y., Wang, G., Li, F., Evans, D. G. (2007). Synthesis and thermo-optical stability of o-methyl red-intercalated Ni–Fe layered double hydroxide material. Materials Letters, 61 (8-9), 1662–1666. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.07.094
  14. Hwang, S.-H., Jung, S.-C., Yoon, S.-M., Kim, D.-K. (2008). Preparation and characterization of dye-intercalated Zn–Al-layered double hydroxide and its surface modification by silica coating. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 69 (5-6), 1061–1065. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.11.002
  15. Tang, P., Deng, F., Feng, Y., Li, D. (2012). Mordant Yellow 3 Anions Intercalated Layered Double Hydroxides: Preparation, Thermo- and Photostability. Industrial & Engineering Chemistry Research, 51 (32), 10542–10545. doi: https://doi.org/10.1021/ie300645b
  16. Tang, P., Feng, Y., Li, D. (2011). Fabrication and properties of Acid Yellow 49 dye-intercalated layered double hydroxides film on an alumina-coated aluminum substrate. Dyes and Pigments, 91 (2), 120–125. doi: https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2011.03.012
  17. Tang, P., Feng, Y., Li, D. (2011). Improved thermal and photostability of an anthraquinone dye by intercalation in a zinc–aluminum layered double hydroxides host. Dyes and Pigments, 90 (3), 253–258. doi: https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2011.01.007
  18. Burmistr, M. V., Boiko, V. S., Lipko, E. O., Gerasimenko, K. O., Gomza, Y. P., Vesnin, R. L. et. al. (2014). Antifriction and Construction Materials Based on Modified Phenol-Formaldehyde Resins Reinforced with Mineral and Synthetic Fibrous Fillers. Mechanics of Composite Materials, 50 (2), 213–222. doi: https://doi.org/10.1007/s11029-014-9408-0
  19. Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Selective anodic treatment of W(WC)-based superalloy scrap. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (85)), 53–58. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.91205
  20. Shamim, M., Dana, K. (2017). Efficient removal of Evans blue dye by Zn–Al–NO3 layered double hydroxide. International Journal of Environmental Science and Technology, 15 (6), 1275–1284. doi: https://doi.org/10.1007/s13762-017-1478-9
  21. Mahjoubi, F. Z., Khalidi, A., Abdennouri, M., Barka, N. (2017). Zn–Al layered double hydroxides intercalated with carbonate, nitrate, chloride and sulphate ions: Synthesis, characterisation and dye removal properties. Journal of Taibah University for Science, 11 (1), 90–100. doi: https://doi.org/10.1016/j.jtusci.2015.10.007
  22. Pahalagedara, M. N., Samaraweera, M., Dharmarathna, S., Kuo, C.-H., Pahalagedara, L. R., Gascón, J. A., Suib, S. L. (2014). Removal of Azo Dyes: Intercalation into Sonochemically Synthesized NiAl Layered Double Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C, 118 (31), 17801–17809. doi: https://doi.org/10.1021/jp505260a
  23. Darmograi, G., Prelot, B., Layrac, G., Tichit, D., Martin-Gassin, G., Salles, F., Zajac, J. (2015). Study of Adsorption and Intercalation of Orange-Type Dyes into Mg–Al Layered Double Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C, 119 (41), 23388–23397. doi: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b05510
  24. Marangoni, R., Bouhent, M., Taviot-Guého, C., Wypych, F., Leroux, F. (2009). Zn2Al layered double hydroxides intercalated and adsorbed with anionic blue dyes: A physico-chemical characterization. Journal of Colloid and Interface Science, 333 (1), 120–127. doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.02.001
  25. El Hassani, K., Beakou, B. H., Kalnina, D., Oukani, E., Anouar, A. (2017). Effect of morphological properties of layered double hydroxides on adsorption of azo dye Methyl Orange: A comparative study. Applied Clay Science, 140, 124–131. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.02.010
  26. Abdellaoui, K., Pavlovic, I., Bouhent, M., Benhamou, A., Barriga, C. (2017). A comparative study of the amaranth azo dye adsorption/desorption from aqueous solutions by layered double hydroxides. Applied Clay Science, 143, 142–150. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.03.019
  27. Santos, R. M. M. dos, Gonçalves, R. G. L., Constantino, V. R. L., Santilli, C. V., Borges, P. D., Tronto, J., Pinto, F. G. (2017). Adsorption of Acid Yellow 42 dye on calcined layered double hydroxide: Effect of time, concentration, pH and temperature. Applied Clay Science, 140, 132–139. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.02.005
  28. Bharali, D., Deka, R. C. (2017). Adsorptive removal of congo red from aqueous solution by sonochemically synthesized NiAl layered double hydroxide. Journal of Environmental Chemical Engineering, 5 (2), 2056–2067. doi: https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.04.012
  29. Ahmed, M. A., brick, A. A., Mohamed, A. A. (2017). An efficient adsorption of indigo carmine dye from aqueous solution on mesoporous Mg/Fe layered double hydroxide nanoparticles prepared by controlled sol-gel route. Chemosphere, 174, 280–288. doi: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.147
  30. Arizaga, G. G. C., Gardolinski, J. E. F. da C., Schreiner, W. H., Wypych, F. (2009). Intercalation of an oxalatooxoniobate complex into layered double hydroxide and layered zinc hydroxide nitrate. Journal of Colloid and Interface Science, 330 (2), 352–358. doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.10.025
  31. Andrade, K. N., Pérez, A. M. P., Arízaga, G. G. C. (2019). Passive and active targeting strategies in hybrid layered double hydroxides nanoparticles for tumor bioimaging and therapy. Applied Clay Science, 181, 105214. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.105214
  32. Kovalenko, V., Kotok, V., Yeroshkina, A., Zaychuk, A. (2017). Synthesis and characterisation of dye­intercalated nickel­aluminium layered­double hydroxide as a cosmetic pigment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (89)), 27–33. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109814
  33. Cursino, A. C. T., Rives, V., Arizaga, G. G. C., Trujillano, R., Wypych, F. (2015). Rare earth and zinc layered hydroxide salts intercalated with the 2-aminobenzoate anion as organic luminescent sensitizer. Materials Research Bulletin, 70, 336–342. doi: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.04.055
  34. Mironyak, M., Volnyanska, O., Labyak, O., Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Development of a potentiometric sensor sensitive to polysorbate 20. EUREKA: Physics and Engineering, 4, 3–9. doi: https://doi.org/10.21303/2461-4262.2019.00942
  35. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). “Smart” anti-corrosion pigment based on layered double hydroxide: construction and characterization. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (100)), 23–30. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.176690
  36. Carbajal Arízaga, G. G., Sánchez Jiménez, C., Parra Saavedra, K. J., Macías Lamas, A. M., Puebla Pérez, A. M. (2016). Folate-intercalated layered double hydroxide as a vehicle for cyclophosphamide, a non-ionic anti-cancer drug. Micro & Nano Letters, 11 (7), 360–362. doi: https://doi.org/10.1049/mnl.2016.0106
  37. Ghotbi, M. Y., Hussein, M. Z. bin, Yahaya, A. H., Rahman, M. Z. A. (2009). LDH-intercalated d-gluconate: Generation of a new food additive-inorganic nanohybrid compound. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 70 (6), 948–954. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2009.05.007
  38. Hong, M.-M., Oh, J.-M., Choy, J.-H. (2008). Encapsulation of Flavor Molecules, 4-Hydroxy-3-Methoxy Benzoic Acid, into Layered Inorganic Nanoparticles for Controlled Release of Flavor. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 8 (10), 5018–5021. doi: https://doi.org/10.1166/jnn.2008.1385
  39. Rajamathi, M., Vishnu Kamath, P., Seshadri, R. (2000). Polymorphism in nickel hydroxide: role of interstratification. Journal of Materials Chemistry, 10 (2), 503–506. doi: https://doi.org/10.1039/a905651c
  40. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Comparative investigation of electrochemically synthesized (α+β) layered nickel hydroxide with mixture of α-Ni(OH)2 and β-Ni(OH)2. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (92)), 16–22. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.125886
  41. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Influence of the carbonate ion on characteristics of electrochemically synthesized layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (97)), 40–46. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155738
  42. Solovov, V., Кovalenko, V., Nikolenko, N., Kotok, V., Vlasova, E. (2017). Influence of temperature on the characteristics of Ni(II), Ti(IV) layered double hydroxides synthesised by different methods. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (85)), 16–22. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.90873
  43. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Anionic carbonate activation of layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (99)), 44–52. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.169461
  44. Nalawade, P., Aware, B., Kadam, V. J., Hirlekar, R. S. (2009). Layered double hydroxides: A review. Journal of Scientific & Industrial Research, 68, 267–272. Available at: https://www.researchgate.net/publication/229054139_Layered_double_hydroxides_A_review
  45. Delhoyo, C. (2007). Layered double hydroxides and human health: An overview. Applied Clay Science, 36 (1-3), 103–121. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.06.010
  46. Hu, M., Lei, L. (2006). Effects of particle size on the electrochemical performances of a layered double hydroxide, [Ni4Al(OH)10]NO3. Journal of Solid State Electrochemistry, 11 (6), 847–852. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-006-0231-y
  47. Solovov, V. A., Nikolenko, N. V., Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Burkov, A. А., Kondrat’ev, D. A. et. al. (2018). Synthesis of Ni(II)-Ti(IV) Layered Double Hydroxides Using Coprecipitation At High Supersaturation Method. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (24), 9652–9656. Available at: http://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2018/jeas_1218_7500.pdf
  48. Kotok, V., Kovalenko, V., Vlasov, S. (2018). Investigation of Ni­Al hydroxide with silver addition as an active substance of alkaline batteries. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (93)), 6–11. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133465
  49. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Investigation of characteristics of double Ni–Co and ternary Ni–Co–Al layered hydroxides for supercapacitor application. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (98)), 58–66. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.164792
  50. Xiao-yan, G., Jian-cheng, D. (2007). Preparation and electrochemical performance of nano-scale nickel hydroxide with different shapes. Materials Letters, 61 (3), 621–625. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.05.026
  51. Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A., Ananchenko, B. A., Chernyad’ev, A. V., Burkov, A. A. et. al. (2020). Al3+ Additive in the Nickel Hydroxide Obtained by High-Temperature Two-Step Synthesis: Activator or Poisoner for Chemical Power Source Application? Journal of The Electrochemical Society, 167 (10), 100530. doi: https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab9a2a
  52. Saikia, H., Ganguli, J. N. (2012). Intercalation of Azo Dyes in Ni-Al Layered Double Hydroxides. Asian Journal of Chemistry, 24 (12), 5909–5913. Available at: https://www.researchgate.net/publication/282676099_Intercalation_of_Azo_Dyes_in_Ni-Al_Layered_Double_Hydroxides
  53. Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). Electrochromism of Ni(OH)2 films obtained by cathode template method with addition of Al, Zn, Co ions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (87)), 38–43. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.103010
  54. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of multilayered electrochromic platings based on nickel and cobalt hydroxides. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (91)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.121679
  55. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Influence of ultrasound and template on the properties of nickel hydroxide as an active substance of supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (93)), 32–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548
  56. Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Tartrazine-intercalated Zn–Al layered double hydroxide as a pigment for gel nail polish: synthesis and characterisation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (105)), 29–37. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205607
  57. Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Bifuctional indigocarmin­intercalated Ni­Al layered double hydroxide: investigation of characteristics for pigment and supercapacitor application. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (12 (104)), 30–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.201282
  58. Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Determination of the applicability of Zn­Al layered double hydroxide, intercalated by food dye Orange Yellow S, as a cosmetic pigment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (107)), 81–89. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.214847
  59. Kovalenko, V., Kotok, V. (2021). The determination of synthesis conditions and color properties of pigments based on layered double hydroxides with Co as a guest cation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (6 (114)), 32–38. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247160
  60. Vasserman, I. N. (1980). Himicheskoe osazhdenie iz rastvorov. Leningrad: Himiya, 208.

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-02-27

Як цитувати

Коваленко, В. Л., Борисенко, А. Ю., Коток, В. А., Нафєєв, Р. К., Вербицький, В. В., & Мельник, О. С. (2022). Визначення залежністі структури Zn-Al подвійно-шарових гідроксидів, як матриці для інтеркалювання функціональними аніонами, від умов синтезу. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12(115), 12–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252738

Номер

Розділ

Матеріалознавство