научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ SIO2–ВОДНЫЙ РАСТВОР ЭЛЕКТРОЛИТА (NACL, CSCL) МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ SIO2–ВОДНЫЙ РАСТВОР ЭЛЕКТРОЛИТА (NACL, CSCL) МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 4, с. 550-562

УДК 541.77

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ SЮ2-BOДHЫЙ РАСТВОР ЭЛЕКТРОЛИТА (NaCl, CsCI) МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

© 2007 г. Ä. В. Щукарев

Санкт-Петербургский государственный университет, химический факультет 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, Университетский проспект, 2 Department of Chemistry, Umeä University, SE-901 87 Umeä, Sweden Поступила в редакцию 20.11.2006 г.

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) исследована поверхность аморфного диоксида кремния в растворах NaCl и CsCl с различными значениями ионной силы и рН. Образцы готовили с использованием быстрого замораживания влажных паст, полученных центрифугированием суспензий. Показано, что РФЭ-спектры таких образцов обеспечивают получение экспериментальной информации о составе межфазной границы SЮ2-раствор, количестве ионов электролита у поверхности твердой фазы и ее химической модификации. Зависимость измеряемого атомного отношения Na(Cs)/Cl от рН раствора позволяет судить о знаке заряда частиц диоксида кремния, а контролируемое удаление воды в камере электронного спектрометра - непосредственно оценивать потенциал поверхности и изучать энергетические эффекты гидратации противоионов по сдвигам энергии связи соответствующих фотоэлектронных уровней. Анализ энергий связи Cs 3d5/2 и Cl 2p3/2 линий в РФЭ-спектрах для границы фаз SЮ2-раствор CsCl дает дополнительную информацию о строении образующегося двойного электрического слоя, позволяя различать ионы, адсорбированные на поверхности, и противоионы, компенсирующие ее заряд.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования поверхности диоксида кремния и ее химии исключительно обширны [1, 2] прежде всего потому, что SiO2 и различные силикаты являются одними из главных компонентов земной коры и имеют широкое практическое применение. В водных растворах электролитов частицы SiO2 могут приобретать положительный или отрицательный заряд, величина которого определяется взаимодействием функциональных групп, находящихся на поверхности, с компонентами раствора. Поскольку основной (и наиболее активной) функциональной группой, от которой зависит химическое поведение поверхности диоксида кремния, является силанол ^^ОН, систему SiO2/раствор можно рассматривать в качестве модельной при описании физико-химических особенностей образования двойного электрического слоя (ДЭС) на границе фаз оксид-жидкость.

Высокая плотность поверхностных гидрок-сильных групп (5 на 1 нм2) [2] облегчает образование сильных водородных связей между соседними силанолами, что, в свою очередь, приводит к незначительной зарядке поверхности в области обычных значений рН. Ионизация силанольных групп, как вицинальных, так и изолированных, в

зависимости от кислотности раствора обычно описывается следующими модельными реакциями:

^-ОН + Н+ ^ ^-О Н+ (1)

^-ОН + ОН- ^ ^-О- + Н2О. (2)

Инфракрасные спектры гидратированной поверхности SiO2 [3] показали, что в действительности образующиеся анионные центры имеют состав ^(ОН)ОН-.

Уникальная информация о физико-химических процессах, протекающих на границе фаз твердое тело-водный раствор, может быть получена при использовании методов анализа поверхности, работающих в условиях высокого и сверхвысокого вакуума. Методические подходы к решению этой задачи были рассмотрены нами в обзоре [4]. Основная проблема заключается в сохранении на поверхности твердого тела тонкого слоя раствора, толщина которого не превышает глубины анализа используемого метода. При этом исследуемая межфазная граница должна быть "законсервирована" в том состоянии, в котором она находится непосредственно в растворе. В рамках метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) указанное ограничение может быть преодолено при использовании быстрого замораживания образцов, полученных центрифугированием суспензий [4, 5]. Данная ста-

тья посвящена применению РФЭС для исследования поверхности аморфного диоксида кремния в растворах NaCl и CsCl.

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы для исследования готовили из водных суспензий (50 мас. %) порошка чистого аморфного диоксида кремния (Ludox TM-50, Aldrich), имеющего удельную поверхность 125 м2/г. Для титрования исходную суспензию разбавляли до концентрации 10 г/л и подкисляли соляной кислотой до рН 2.5. Ионную силу раствора контролировали добавлением твердого хлорида натрия.

Реакции протонирования/депротонирования поверхности SiO2 изучали потенциометрическим титрованием (11 титрований) при концентрациях NaCl 0.02 и 0.1 М. Титрование останавливали при значении рН, близком 9, поскольку в более щелочных средах аморфный диоксид кремния начинает растворяться, искажая, тем самым, получаемые данные. Обнаружена количественная воспроизводимость и обратимость изучаемых реакций прото-нирования/депротонирования поверхностных си-ланольных групп [6].

РФЭ-спектры регистрировали на стандартном электронном спектрометре AXIS Ultra (Kratos Analytical, Ltd) при возбуждении монохроматизиро-ванным Al^-излучением (1486.6 эВ). Напряжение на аноде рентгеновской трубки составляло 15 кВ, а мощность - 180 или 225 Вт. Для увеличения интенсивности спектров использовали дополнительную магнитную линзу, обеспечивающую угол сбора фотоэлектронов ±15° относительно нормали к поверхности. Заряжение поверхности образцов компенсировали с помощью пушки медленных электронов.

Качественный состав исследуемой поверхности определяли по обзорным спектрам, снятым в области 0-1000 эВ с шагом 1 эВ при энергии пропускания 160 эВ; для проведения количественного анализа и получения данных о химическом состоянии обнаруженных элементов регистрировали спектры соответствующих фотоэлектронных линий с шагом 0.1 эВ при энергии пропускания 20 эВ. Обработку спектров проводили с использованием программного обеспечения фирмы Kratos Analytical, Ltd. и коммерческого пакета CasaXPS [7]. Атомные концентрации определяли по площадям фотоэлектронных линий с учетом функции пропускания спектрометра после вычитания фона (Shirley или линейного), используя соответствующие факторы чувствительности (сечения ионизации), входящие в поставляемое программное обеспечение. Описание стандартной процедуры съемки РФЭ-спектров можно найти в работе [8].

pH

Рис. 1. Данные потенциометрического титрования

аморфного SiO2 в 0.02 М (1) и 0.1 М (2) растворах

NaCl [6].

Влажные пасты для РФЭС-измерений получали из суспензий (10 г/л) в 0.01, 0.02, 0.1 и 0.6 М растворах NaCl по методике, описанной нами ранее

[5]. Требуемую величину рН создавали добавлением NaOH или HCl, после чего образцы перемешивали, по крайней мере, 24 ч с целью достижения равновесия. Для контроля рН использовали комбинированный электрод, калиброванный с помощью стандартных буферных растворов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Растворы NaCl

На рис. 1 приведены данные титрования поверхности аморфного диоксида кремния в растворах NaCl [6]. В сильнокислой среде (рН 3) поверхность SiO2 практически не заряжена и приобретает отрицательный заряд по мере повышения рН. Хорошо видно, что количество протонов, десор-бирующихся с поверхности, достаточно мало и достигает максимальной величины 1.3 мкМ/м2 (0.1 М NaCl, рН 9), что соответствует 0.78 Н+/нм2

[6]. Таким образом, при плотности силанольных групп (>Si-OH) 5 группа/нм2 лишь 15% из них приобретают отрицательный заряд, т.е. образуют =Si-O-. Это, в свою очередь, означает, что даже в щелочных средах концентрация противоио-нов (H+ и Na+) на границе фаз аморфный диоксид кремния-раствор невелика. РФЭ-спектры, приведенные на рис. 2, полностью соответствуют такому заключению.

Действительно, интенсивность рентгеновской Оже-линии Na KLL (вблизи 500 эВ) для образца, обработанного в щелочной среде, очень мала (рис. 26), а в случае раствора с рН 2.17, когда отрицательный заряд на поверхности SiO2 близок к нулю, эта линия вообще отсутствует (рис. 2а). Отметим, что для всей исследованной области рН

Интенсивность, 104 имп/c 50-

Интенсивность, 104 имп/c

(a)

(б)

O ls

40-

30-

20

10

Л

Na KLL

Si 2s

Si 2p

C 1s

Л

1000 800 600 400 200 1000 800

Энергия связи, эВ

600 400 200

Энергия связи, эВ

Рис. 2. Обзорные РФЭ-спектры замороженных влажных паст (0.02 M раствор NaCl) аморфного SÍO2: (а) - pH 2.17, (б) - рН 9.06.

при небольшой ионной силе растворов (<0.02 М) в РФЭ-спектрах замороженных влажных паст не обнаружены фотоэлектронные линии С1 2р (199 эВ) и С1 2s (217 эВ). Отсутствие хлорид-ионов на межфазной границе объясняется отрицательным зарядом поверхности аморфного диоксида кремния, который компенсируется ионами противоположного знака (катионами) при образовании ДЭС. С другой стороны, данный экспериментальный факт принципиально важен в связи с предложенной нами пробоподготовкой. Он позволяет сделать вы-

(Na/Si) х 100

3.0 -

2.5 -

2.0 -

1.5 -

1.0 -

0.5 ♦

0

2 4 6 8 10

pH

Рис. 3. Зависимость атомного отношения Na/Si на границе фаз аморфный SÍO2-O.O2 М раствор NaCl от рН.

вод о том, что быстрое замораживание центрифугированных влажных паст не приводит к намораживанию на исследуемую межфазную границу заметного слоя самого раствора, искажающего картину протекающих на ней взаимодействий.

Зависимость атомного отношения Na/Si (рис. 3) показывает рост концентрации Na+ при увеличении рН. Форма кривой в зеркальном отражении полностью совпадает с кривой потенциометриче-ского титрования. Это означает, что депротониро-вание поверхности аморфного диоксида кремния сопровождается аккумулированием ионов натрия на границе фаз SЮ2-раствор. При рН 9.06 в спектре O 1s появляется дополнительная низкоэнергетическая компонента с энергией связи Eb = 531.0 эВ (рис. 4). Интенсивность этой компоненты дает атомное отношение О5310 эВ/№ = 1, что, в свою очередь, отвечает образованию химических связей =Si-O-Na.

Отметим, что такие связи появляются на межфазной границе, когда рН раствора приближается к значению первой константы диссоциации кремниевой кислоты. Эффект не зависит от ионной силы раствора NaCl [8] и находится в полном соответствии с данными работы [9], в которой ионы K+ наблюдали только на поверхности кварца

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком