Твердофазные структурно-химические превращения при взаимодействии пористых кремнезёмов с парами TiCl4 и H2O тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.21 ВАК РФ

КОШТЯЛ Юрий Михайлович Пожгли.

вердофазные структурно-химические превращения при взаимодействии пористых кремнезёмов с парами Т1С14 и Н20

02.00.21 - Химия твёрдого тела 02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

- 8 ДЕК 2011

005005006

На правах рукописи

КОШТЯЛ Юрий Михайлович Л7^ -Ко^глл^

Твердофазные структурно-химические превращения при взаимодействии пористых кремнезёмов с парами Т1С14 и Н20

02.00.21 - Химия твёрдого тела 02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательн учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургскь государственный технологический институт (технический университет)»

Научные руководители: Доктор химических наук, профессор

Малыгин Анатолий Алексеевич Кандидат химических наук, доцент Малков Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор

Лисичкин Георгий Васильевич Доктор химических наук, профессор Пак Вячеслав Николаевич

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетнс

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саню Петербургский государственный университет», г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « » декабря 2011 года в 15:40. ауд. 61 н заседании диссертационного совета Д 212.230.09 в Санкт-Петербургско: государственном технологическом институте (техническом университете) п адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургског государственного технологического института (технического университета).

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербур Московский пр. д. 26, Санкт-Петербургский государственный технологически институт (технический университет), Учёный совет; тел. 494-93-75, Е-пш dissovet@technolog.edu.ru.

Автореферат разослан » ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.230.09 кандидат химических наук,

Доцент А. А. Малков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Свойства твёрдых веществ и материалов, а также эффективность их применения в значительной степени определяются точностью задания требуемых состава, структуры получаемых продуктов, а также возможностью регулирования структурно-химических характеристик объектов на атомно-молекулярном уровне. При этом всё большее внимание исследователей привлекают материалы, представляющие собой композиции из матрицы с поверхностной активной добавкой. Примером может служить диоксид титана, нанесённый на поверхность пористых носителей (силикагель, оксид алюминия, стекла и др.), существующий в различных кристаллических модификациях (анатаз, рутил, брукит) и находящий применение, в зависимости от фазового состава, в качестве сорбентов, катализаторов, пигментов, защитных, оптических и других видов функциональных покрытий.

Метод молекулярного наслаивания (МН) является перспективным способом получения титаноксидных структур на поверхности твердофазных матриц, который позволяет формировать слои с атомно-молекулярной точностью и в требуемой кристаллической или аморфной модификациях. Одной из важных фундаментальных проблем на стыке химии твёрдого тела и физической химии в процессах МН является определение условий, когда на поверхности пористой матрицы начинает формироваться кристаллическая фаза, соответствующая диоксиду титана, а также выяснение влияния на процесс начала фазообразования пористой структуры носителя и температуры синтеза.

Решение указанных задач представляет не только фундаментальный интерес, но и имеет существенное значение с практической точки зрения, так как формирующаяся на начальных стадиях МН структура оказывает влияние на фазовые превращения в системе при дальнейшем наращивании нанопокрытия, толщина которого будет определяться его функциональным назначением (керновый пигмент или наполнитель, сорбент, нанесённый катализатор и т.д.)

Таким образом, постановка исследований по изучению начальных стадий формирования кристаллической фазы диоксида титана на поверхности пористых кремнезёмов с различной структурой пор представляется актуальной задачей.

Исследования по теме диссертации проводили в рамках ФЦП развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010 гг., грантов РФФИ (№№ 05-0332056, 08-03-00803, 09-03-12225, 11-03-00397) правительства Санкт-Петербурга (№ 2.5./29.04./029).

Целью настоящей работы является выявление закономерностей изменен химического и фазового состава титаноксидных структур, формирующихся поверхности кремнезёмов с различной пористой структурой методо! молекулярного наслаивания в результате их циклической обработки (от одного д четырёх раз) парами тетрахлорида титана и воды в интервале температур 200-500°С.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Синтезировать методом МН (1-4 цикла МН) титаноксидные структуры температурном диапазоне 200-500°С на поверхности кремнезёмных матриц различной пористостью, изучить химический состав продуктов и выявить ег взаимосвязь с характеристиками подложек.

2. С привлечением количественного рентгенофазового анализа исследоват фазовый состав продуктов синтеза, определить динамику его изменения зависимости от температуры и числа проведённых циклов молекулярного наслаивания.

3. С применением электронной спектроскопии диффузного отражени определить координационное окружение атомов титана на поверхности продукте синтеза и оценить его взаимосвязь с фазовым составом.

4. Исследовать с помощью сканирующей электронной микроскопии : рентгеноспектрального микроанализа размер и равномерность распределени титаноксидных структур модифицированных кремнезёмов.

Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное исследование с использованием химико-аналитических, гравиметрического (in situ) методов : рентгеноспектрального микроанализа химического состава продуктов взаимодействия различных кремнезёмов (с глобулярной структуре крупнопористого ШСКГ, мелкопористого фирмы «Acros Organics» (АО) и с упорядоченной структурой цилиндрических мезопор SBA-15) с парам тетрахлорида титана и воды в зависимости от числа циклов обработки указанным реагентами (от одного до четырёх циклов МН) в интервале температур синтеза (Тс) 200-500°С. Установлено, что при температуре 200°С, зависимость содержания титана от числа циклов МН в образцах мелкопористого кремнезёма АО носи затухающей характер, а в случае подъёма температуры синтеза до 350 и 500°С аналогична протеканию процесса на поверхности ШСКГ и SB А-15.

Впервые в результате рентгеноспектрального микроанализа на примере модифицированного силикагеля ШСКГ показано, что после проведения одного цикла при температурах 200, 350, 500°С и четырёх циклов МН при температуре 200°С титаноксидные структуры распределяются равномерно по всему объёму гранулы. В случае проведения четырёх циклов при температуре 500°С наблюдалось некоторое повышение содержания титана по мере удаления от центра к поверхности гранулы (от 5,4 до 8,3 мас.%).

На основании результатов количественного рентгенофазового анализа установлено, что для всех образцов после первого цикла обработки парами тетрахлорида титана и воды при 200 и 350°С полученные продукты рентгеноаморфны. При температуре синтеза 200°С анатаз начинает проявляться в образцах модифицированного ШСКГ после третьего цикла, а в образцах АО и SBA-15 после четвёртого цикла МН. В результате осуществления синтеза при 350°С во всех модифицированных кремнезёмах появление фазы анатаза отмечается после проведения двух циклов обработки парами TiCl4 и Н20. Наряду с анатазной при 350°С отмечено образование рутильной модификации диоксида титана, суммарное содержание которых возрастает с увеличением числа циклов МН. После первого цикла, проведённого при 500°С, были зафиксированы рефлексы кристаллических модификаций на рентгенограммах образцов модифицированных силикагелей ШСКГ (анатаз, рутил) и АО (рутил), что, по-видимому, обусловлено протеканием побочных реакций, приводящих к образованию объёмной фазы диоксида титана.

Установлена корреляция между координационным числом титана по кислороду в нанесённых титаноксидных структурах, которое было определено на основании первых производных спектров электронной спектроскопии диффузного отражения (ЭСДО) и фазовым составом, определённым по данным рентгенофазового анализа (РФА).

Показано, что на поверхности SBA-15 формируются титаноксидные структуры, атомы титана в которых находятся в октаэдрическом и тетраэдрическом окружении.

Впервые с применением сканирующей электронной микроскопии на примере образцов ШСКГ показано, что в результате проведения четырёх циклов МН при температуре 200°С не проявляются изменения в структуре образцов по сравнению с исходным, не модифицированным силикагелем. На поверхности сколов гранул образца после четырёх циклов синтеза при температуре 500°С выявлены области с повышенной концентрацией титана.

Практическая значимость работы. Установленные в работе закономерности наращивания и формирования кристаллической фазы в процессе МН на пористых матрицах могут быть использованы для создания нанесённых катализаторов, модифицированных сорбентов, керновых пигментов и наполнителей композиционных материалов, функциональных покрытий, в которых, в зависимости от назначения, требуется не только различное заданное содержание той или иной кристаллической фазы диоксида титана, но и получение заданных по составу, равномерно распределённых в пористом объёме.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности наращивания титаноксидных структур, синтезированных методом молекулярного наслаивания в процессе 1-4 циклов обработки кремнезёмов

с различной пористой структурой парами тетрахлорида титана и воды в интерв температур 200-500°С.

2. Результаты рентгеноспектрального микроанализа и сканирующе электронной микроскопии по исследованию равномерности распределения титана составе поверхностных структур, их размерам в объёме силикагеля ШСКГ.

3. Закономерности фазообразования, а также количество и соотношение фаз синтезированных поверхностных титаноксидных структурах в зависимости от числ циклов МН, температуры в интервале 200-500°С и пористости носителя.

4. Взаимосвязь между условиями синтеза, пористой структурой координационным окружением атомов титана в составе наращиваемы титаноксидных структур.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены н научных конференциях и конкурсах: Всероссийском смотре-конкурсе научнс технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2006> Новочеркасск, 2006; II Молодёжной научно-технической конференции «Наукоёмки химические технологии», Москва, 2007; VI Российской конференции с участием стра СНГ «Научные основы и технологии приготовления катализаторов», Новосибири 2008; IV Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхност и нанотехнология» Санкт-Петербург - Хилово, 2009; II Международном конкурс научных работ молодых учёных в области нанотехнологий (РОСНАНО), Москвг 2009; II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 201С Беларусь, Россия, Украина», Киев, 2010; Научно-технической конференции молоды учёных, «Неделя науки», Санкт-Петербург, 2011.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, включа 5 статей, 3 из которых представлены в журналах, входящих в перечень ВАК, и 10 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.

Личный вклад соискателя заключается в проведении экспериментальны исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основна часть работы выполнена автором лично. Измерения удельной поверхности были проведены Ищенко О.М. и к.т.н. Шевкиной А.Ю. (СПбГТЩТУ)). Данные по ЭСДО были получены совместно с Васильевой K.JI. и к.х.н. Захаровой Н.В. (СП6ГТИ(ТУ)), РФА - совместно с к.х.н. Абызовым А.М. (СПбГТИ(ТУ)). Измерение адсорбционно-структурных характеристик SBA-15 были осуществлены к.х.н. Мельгуновым М.С. (ИК СО РАН). Исследования с использованием дифракции рентгеновских лучей в области малых углов были проведены к.ф.-м.н. Шмаковым А.Н. (Ж СО РАН). Результаты исследований с применением сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) были получены совместно с Горюновым A.B. (СПбГТИ(ТУ)), Петровым С.Н. (ФГУП ЦНИИ «Прометей»), Красилиным A.A. (СПбГТИ(ТУ)).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 146 страницах, включая 43 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 178 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, и имеет приложения, изложенные на 37 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность темы, цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены принципы метода молекулярного наслаивания (МН). Рассмотрено влияние температурных режимов синтеза и адсорбционно-структурных характеристик силикагелей на локальное строение наращиваемых титаноксидных структур. Проведён анализ возможностей методик определения координационного окружения атомов титана с использованием электронной спектроскопии диффузного отражения.

Во второй главе проанализированы работы, посвященные исследованию состава кристаллических модификаций, образующихся в ходе синтеза титаноксидных структур на поверхности диоксидов кремния. Проведён анализ возможных причин образования фазы в ходе осуществления синтеза по методу МН при повышенных температурах.

В третьей главе приведено обоснование выбора использованных в работе кремнезёмных матриц, их характеристики, описание методов синтеза и физико-химических исследований. В качестве исходных подложек применяли дисперсные силикагели с глобулярной структурой: крупнопористый ШСКГ (ГОСТ 3956-76), мелкопористый АО (поставщик - фирма «Acros Organics», код продукта 240380050), а также кремнезём SBA-15 с упорядоченной структурой цилиндрических пор, соединённых микроканалами. Адсорбционно-структурные характеристики исходных матриц представлены в таблице.

Синтез титаноксидных структур проводили на установках проточного типа в реакторе с перегородкой и в реакторе с весами Мак-Бена при температурах 200, 350, 500°С. В качестве исходных реагентов использовали TiCl4 (ОСЧ, ТУ 6-09-2118-77) и дистиллированную воду (ГОСТ 6709-72). Один цикл синтеза включал следующие стадии: термообработку исходного образца в реакторе в токе осушенного газа-носителя при температуре синтеза; хемосорбцию TiCU; десорбцию (удаление избытка низкомолекулярного реагента и газообразных продуктов реакции); парофазный гидролиз; высушивание (термообработку) модифицированного образца. В качестве газа-носителя использовали азот, осущенный до остаточного влагосодержания не выше 16 мг/м3.

Таблица-Характеристики кремнезёмных матриц

Подложка Размер гранул, мм Sy¡¡, м2/г V06B, см3/г Vm. см3/г dCp, HM

ШСКГ 0,2-0,4,2-5 278 0,94 - 14

АО 0,2-0,5 471 0,67 - 6

SBA-15 ю-4 830 1,58 0,13 И

Концентрацию гидроксильных групп на поверхности исходных матриц при соответствующей температуре синтеза, определяли на основании результатов дифференциально-термического анализа, проведённого на дериватографе Paulik-Paulik-Erdey Q-1500 D. Удельную поверхность образцов измеряли методом тепловой десорбции азота на сорбтометре «COPBH®N.4.1» и рассчитывали по методу БЭТ. Содержание титана и хлор-ионов в составе продуктов синтеза после перевода их в раствор определяли фотометрическим методом (фотоколориметр КФК-3) и меркурометрическим титрованием соответственно. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре ДНР - 401 «Дифрей». Спектры ЭСДО и их первые производные снимали на спектрофотометре Specord М40. Поверхность гранул, шлифов и сколов исходного и модифицированных силикагелей исследовали на микроскопах JSM-35CF и FEI Quanta FEG 200. Элементный состав образцов определяли методом рентгеноспектрального микроанализа с использованием детекторов Link 860 и INCA Energy 350.

В четвёртой главе обсуждается влияние пористой структуры ШСКГ и АО на наращивание титаноксидных структур и их строение.

Химический состав продуктов синтеза. В случае осуществления синтеза на ШСКГ при Тс=200-500°С максимальный прирост титана наблюдается после первого цикла. При последующей циклической обработке парами TiCl4 и Н20 концентрация титана увеличивается линейно от числа циклов синтеза. В случае модифицирования АО при 200°С отмечается, что зависимость изменения содержания титана от количества циклов МН носит затухающий характер (рисунок 1). С повышением температуры синтеза до 350 и 500°С форма зависимости концентрации титана от числа циклов приближается к виду, характерному для широпористого силикагеля ШСКГ. Таким образом, при модифицировании мелкопористого силикагеля характер наращивания титаноксидных структур зависит от температуры и изменяется с затухающего при 200°С до, практически, линейного при 350-500°С. Отмеченная закономерность, возможно, обусловлена тем, что, вследствие большой концентрации гидроксильных групп и достаточно узких пор, титаноксидные структуры, образующиеся на первом цикле, и титаноксохлоридные группы, формирующиеся при хемосорбции на втором цикле, препятствуют проникновению

TiCLt в поры, вследствие чего процесс

приобретает затухающий характер. С

повышением температуры концентрация

пщроксильных групп и плотность

прививки Ti-OH уменьшается, что

обеспечивает проникновение молекул во

внутреннюю часть пористого пространства

и более равномерное распределение

тигансодержахцих групп в образце.

Влияние температуры синтеза и

числа циклов МН на содержание

кристаллических модификаций в

составе титаноксидных структур.

Результаты рентгенофазового анализа

титансодержащих образцов АО приведены осуществления синтеза при температурах на рисунке % Как следует из

(Тс) 200°С (1), 350°С (2), 500°С (3) представленных рентгенограмм, на появление рефлексов от кристаллической фазы диоксида титана влияет как число циклов МН, так и температура проведения синтеза. Если при Тс=200°С пик, соответствующий анатазу, был зафиксирован только после четвёртого цикла МН (рисунок 2а), то с повышением температуры рефлексы, характерные для анатазной модификации появляются уже после второго цикла обработки (рисунки 26, 2в). При этом наряду с проявлением анатазной, появляются также пики, отнесённые к рутильной модификации диоксида титана (рисунки 26, 2в). Интенсивность рефлексов на рентгенограммах возрастает с увеличением концентрации титана в образцах. Как показали ранее проведённые исследования, так и данные настоящей работы, близкие результаты были получены и при использовании в качестве матрицы силикагеля ШСКГ. Количественные данные показали, что в случае проведения четырёх циклов синтеза при температуре 200°С содержание анатаза в составе наращиваемых титаноксидных структур на поверхности матриц ШСКГ, АО составило около 15 мас.% (примерно, 31 мгТЮ2/г5ю2)- С повышением температуры синтеза до 350°С содержание анатаза в модифицированных (4 цикла синтеза) ШСКГ и АО увеличивалось и составило 49 мас.% (90 мг-пса/гзюг) и 41 мас.% (119 мглог/гвки) соответственно. Доля рутильной модификации титаноксидных структур в составе модифицированного ШСКГ составляла 12 мас.%, в АО - 6 мас.%. При увеличении температуры синтеза до 500°С содержание анатаза уменьшалось в ШСКГ до 16 мас.% (26 мгпса/гзки)» в АО - до 29 мас.% (56 мгтюг/гяюг), а содержание рутила увеличивалось до 35 мас.% (54 мг-гюг/гзюг)и до 31 мас°/о (61 мгТЮ2/гбю2) в ШСКГ и АО соответственно.

[Ti], ммоль/г8Ю.

4 nTi

Рисунок 1 - Изменение концентрации титана в образцах модифицированного силикагеля АО в результате

18 23 28

33

38 43 20, град.

Влияние температуры и числа циклов МН на координационное окружение атомов титана в составе синтезированных тнтаноксидных структур. На первых

производных спектров ЭСДО,

модифицированных при 200°С силикагелей ШСКГ и АО (рисунок, За), наблюдается максимум при =26100 см"1, соответствующий координационному окружению атомов титана в составе анатаза. В случае осуществления синтеза при 350°С, наряду с максимумом, отмеченным выше, проявляется максимум при 24900 см'1 (рисунок 36), соответствующий

координационному окружению атомов титана в структуре рутила. С увеличением числа циклов синтеза интенсивность максимума, соответствующего окружению тагана в структуре рутила, возрастает по отношению к интенсивности максимума, соответствующего атомам титана с координационным окружением, как в структуре анатаза.

Проведение синтеза при температуре 500°С сопровождалось проявлением двух максимумов на первых производных спектров ЭСДО модифицированных ШСКГ и АО (рисунок Зв). Причём, судя по интенсивностям максимумов, на поверхности преобладали атомы титана с координационным окружением, как в структуре рутила.

Таким образом, можно сделать вывод, что на поверхности силикагелей с аналогичной предысторией, но разной пористостью, условия формирования кристаллической фазы имеют лишь небольшие количественные различия при идентичных закономерностях их формирования в зависимости от концентрации титана (числа циклов) и температуры синтеза.

Распределение тнтаноксидных

структур в гранулах модифицированных силикагелей ШСКГ. Согласно данным РСМА в результате проведения одного и четырёх

18 23 28 33

(б)

38 43 20, град.

-2

18 23 28 33

(в)

38 43 20, град.

Рисунок 2 - Рентгенограммы силикагеля АО модифицированного при 200°С (а), 350°С (б) и 500°С (в)

АО. Номер рентгенограммы соответствует числу циклов синтеза. Рефлексы анатаза (Д) и рутила (А)

циклов МН при 200°С и одного цикла при 350 и 500°С отмечается равномерное распределение титана по объёму кремнезёмной гранулы. Осуществление четырёх циклов синтеза при 200°С не оказывало влияние на морфологию поверхности матрицы, исследованную по сколу гранулы.

сШ-п/сЬ

АР

35000 30000 25000 20000 35000 30000 25000 20000 35000 30000 25000 20000

П, СМ"

О, СМ"

и, СМ"

(а)

(б)

(в)

I - положение максимума на первой производной спектра анатаза; - положение максимума на первой производной спектра рутила

Рисунок 3 - Первые производные спектров ЭСДО исходного и модифицированных АО, полученных при Тс = 200°С (а); 350°С (б); 500°С (в). 1,2,3,4 - число циклов последовательной обработки ТлСЬ) и Н20

В результате проведения четырёх циклов синтеза при 500°С наблюдается екоторое увеличение содержания титана в поверхностном слое (8,3 мас.%) по равнению с центром (5,4 мас.%) гранулы. При температуре 500°С наряду с шещением водорода силанолов на ТлСЦ-п группы (1<п<3) могут протекать горичные реакции: окисление 71Си кислородом матрицы; реакция "ПС14 с олекулами воды, образующимися в процессе взаимодействия газобразного лороводорода и гидроксильных групп, и др. Отмеченные вторичные процессы огуг приводить к образованию в устьях пор и на поверхности фазы ТЮ2, препятствующей роникновению Т1СЦ в поры.

Наряду с градиентом концентрации титана по сечению, на поверхности скола гранулы, с помощью РСМА разной степени локализации (рисунок 4в, спектры 1-5) были обнаружены области (рисунок 4в, спектры 1, 2) с концентрацией титана (=12,5 мас.%), превышающей среднюю на поверхности (рисунок 4в, спектр 5) более, чем в два раза. Концентрация титана, определённая на однородных участках (спектры 3, 4), примерно равнялась средней концентрации. На снимках, выполненых при большем увеличении, видно, что размер областей с повышенным содержанием титана варьируется (рисунок 5).

(а) (б) (в)

Рисунок 4 - Снимки поверхности скола центров гранул исходного силикагеля ШСКГ (а) и после четырёх циклов синтеза при 200°С (б); 500°С (в)

2 мкм 2 мкм

(а) (б)

Рисунок 5 - Снимки поверхности скола модифицированных ШСКГ (Тс=500°С), выполненные на расстоянии половины радиуса от центра (а) и на краю гранулы (б)

Модифицирование при температуре 200°С не сопровождалось заметным изменением рельефа внешней поверхности гранул ШСКГ (рисунки 6а, 66). Концентрации титана, измеренные на различных участках поверхности (рисунок 66, спектры 1-4) были достаточно близки между собой (среднее значение составляло 14,2±0,8 мас.%). В случае проведения четырёх циклов синтеза при 500°С

10 ыкм

(б)

5 мкм

(в)

Рисунок 6 - Снимки внешней поверхности гранул исходного силикагеля ШСКГ (а) и после проведения четырёх циклов синтеза при 200°С (б); 500°С (в)

на внешней поверхности гранул (рисунок 6в) были обнаружены частицы диоксида титана (=3,5 мас.% от общего содержания титана в образце).

В пятой главе обсуждаются результаты синтеза и исследования образцов модифицированного кремнезёма 8ВА-15. Важно подчеркнуть, что в отличие от ШСКГ и АО, пористая структура 8ВА-15 образована цилиндрическими мезопорами одинакового диаметра (таблица), связанными между собой микропорами. Модифицирование методом молекулярного наслаивания кремнезёмов с подобной пористой структурой ранее, практически, не изучалось.

Химический состав продуктов синтеза. Для обеих рассматриваемых температур (200 и 350°С) максимальный прирост концентрации титана происходит на первом цикле, при последующем синтезе концентрация титана увеличивается линейно в зависимости от числа циклов обработки парами ИСЦ и Н20. Полученные результаты формирования титаноксидных структур подобны данным с использованием ШСКГ. Таким образом, в данном случае структура и предыстория матрицы не влияет на ход наращивания.

Фазовый состав титаноксидных структур, синтезированных на поверхности 8ВА-15 при температурах 200 и 350°С. В случае осуществления синтеза на кремнезёме 8ВА-15 при температуре 200°С появление рефлекса анатаза было зафиксировано после четырёх циклов синтеза. Доля анатаза в составе титаноксидных

структур составила 18 мас.% (80 мглог^юг) (риунок 7а). На рентгенограммах образцов, модифицированных в результате проведения двух-четырёх циклов синтеза при 350°С

ТЮ2, мгтю/г8Ю 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

82/18/0

100/0/0

100/0/0

146

258

80

371

Ш

2Т1 (а)

4Т1

ТЮ2, мгтю /г8Ю 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

19/81/0

28/72/0

25/75/0

100/0/0

92

134

45

176

т.

262

М.

Ш 2Л ЗТ1 4"П (б)

Области: □ - рентгеноаморфные титаноксидные структуры; Я-анатаз

Рисунок 7 - Содержание кристаллических модификаций в составе титаноксидных структур, синтезированных на поверхности 5ВА-15 при Тс=200°С (а) и 350°С (б)

зафиксированы рефлексы анатаза (Ш=101) и следов рутила (интенсивность рефлекса Ыс1=110 бьша чуть выше фона). Содержание же анатаза в составе модифицированных образцов увеличивалось по мере проведение циклического синтеза (рисунок 76).

Влияние температуры и количества циклов синтеза на координационное окружение атомов титана наращиваемых титаноксидных структур. В результате осуществления модифицирования кремнезёма 8ВА-15 при 200°С на первых производных спектров ЭСДО (рисунок 8а) появляются максимумы при =29800 см'1 и ~27700 см"1, соответствующие атомам титана с тетраэдрическим и октаэдрическим окружением, характерным для атомов титана в анатазе. При увеличении числа циклов синтеза от одного до четырёх доля атомов титана, находящихся в тетраэдрическом окружении, уменьшалась с 48 до 20%.

При повышении температуры синтеза до 350°С дополнительно появляется максимум при 25300 см"1, соответствующий атомам титана в октаэдрическом окружении, характерном для атомов титана в рутиле. При этом после первого цикла синтеза доля атомов титана с тетраэдрическим окружением, примерно, равняется 59%, а с октаэдрическим окружением, как в анатазе и рутиле, составляет 24% и 17% соответственно. После проведения второго цикла синтеза отмечается уменьшение

доли атомов титана с тетраэдрическим окружением до 14% и увеличение доли атомов титана в октаэдрическом окружении до 60% и 26%, характерном для анатаза и рутила соответственно. Последующее модифицирование не приводит к существенным изменениям в координационном окружении атомов титана.

5ВА-15 А Р (Цуёо

40000 о, см'

10

20000

40000

О, СМ1

20000

А - положение максимума на первой производной спектра анатаза; Р - положение максимума на первой производной спектра рутила

Рисунок 8 - Первые производные спектров исходного и модифицированных БВА-15, полученные при Тс=200°С (а); 350°С (б); 1,2,3,4 -число циклов последовательной обработки ТЮЦ и Н20

Таким образом, можно отметить, что на поверхности 8ВА-15 в ходе синтеза титаноксидных структур при температурах 200 и 350°С, также как и на силикагелях ШСКГ и АО, формируются структуры типа анатаза и рутила. Однако содержание 'анатаза в продуктах синтеза, полученных при температуре 350°С (2-4 цикла), значительно выше, чем в модифицированных силикагелях. В титаноксидных структурах, синтезированных на поверхности БВА-15, помимо атомов титана в октаэдрическом окружении, присутствие которых наблюдали на поверхности модифицированных силикагелей ШСКГ и АО, отмечается наличие атомов титана в тетраэдрическом окружении.

Основные результаты и выводы

1.При температурах 200, 350, 500°С попеременной обработкой (1-4 цикла) парами TiCl4 и НгО кремнезёмов с различной пористой структурой осуществлён синтез поверхностных титаноксидных структур. С использованием химико-аналитических и адсорбционных методов, количественного рентгенофазового анализа, электронной спектроскопии диффузного отражения, сканирующей электронной микроскопии изучены закономерности химических, фазовых и морфологических превращений.

2. Показано, что в случае проведения синтеза на силикагеле ШСКГ (глобулярная структура) и кремнезёме SBA-15 (упорядоченная структура цилиндрических пор), имеющих близкие значения средних диаметров пор, максимальный прирост титана происходит в результате первого цикла обработки, а с увеличением их числа от двух до четырех концентрация титана в образцах возрастает линейно.

При синтезе на мелкопористом силикагеле АО (глобулярная структура), который имеет меньший диаметр пор, процесс наращивания титаноксидных структур зависит от температуры синтеза. При 200°С прирост титана носит затухающий характер. С подъёмом температуры синтеза до 350 и 500°С, также как и в случае синтеза на ШСКГ, максимальный прирост титана наблюдается на первом цикле, а при последущем синтезе (2-4 цикла) концентрация в образцах увеличивается линейно.

Высказано предположение, что причиной затухания роста может быть частичное перекрывание устьев части мелких пор синтезированными титангидроксидными (титангидроксохлоридными) группировками, ограничивающими доступ в эти поры молекул тетрахлорида титана на последующих стадиях циклического процесса.

Впервые с использованием рентгеноспектрального микроанализа на примере модифицированного силикагеля ШСКГ показано, что в ходе проведения одного цикла синтеза при температурах 200, 350, 500°С и четырёх циклов МН при температуре 200°С титаноксидные структуры распределяются равномерно по всему объёму гранулы. В случае проведения четырёх циклов синтеза при температуре 500°С наблюдали повышение содержания титана по мере удаления от центра к поверхности частицы образца от 5,4 до 8,3 мас.%. Высказано предположение о протекании при указанной температуре побочных процессов, связанных с образованием объёмной фазы диоксида титана в результате гидролиза TÍCI4 молекулами воды, образующимися при взаимодействии паров хлороводорода с гидроксильными группами.

3. Установлено, что для всех исследованных образцов после первого цикла обработки парами тетрахлорида титана и воды при 200 и 350°С полученные продукты рентгеноаморфны и объёмной кристаллической фазы диоксида титана в них не обнаружено. Кристаллическая модификация диоксида титана в форме

анатаза начинает проявляться по данным РФА в образцах ШСКГ, АО, БВА-15 после третьего (образец ШСКГ) или четвёртого (образцы АО и БВА-15) циклов МН при температуре синтеза 200°С и после второго цикла МН при 350°С для всех полученных продуктов. При подъёме температуры синтеза до 350°С отмечено также появление, наряду с анатазной, рутильной модификации диоксида титана. В случае проведения синтеза при 500°С уже после первого цикла МН присутствие кристаллических фаз было зафиксировано на рентгенограммах модифицированных силикагелей ШСКГ (анатаз и рутил), АО (рутил).

Содержание кристаллических модификаций анатаза и рутила в составе модифицированных кремнезёмов возрастает как с увеличением числа циклов МН, так и температуры синтеза. Отмечено, что упорядоченная пористая структура БВА-15, по сравнению с глобулярной ШСКГ и АО, оказывает более существенное влияние на формирование анатаза, проявляющееся в большем относительном и абсолютном его содержании в образцах, полученных при температуре 350°С.

4. В ходе проведения синтеза при температуре 200°С на силикагелях ШСКГ и АО образуются титаноксидные структуры, координационное окружение титана в которых равно шести и подобно кислородному окружению атомов титана в структуре анатаза. С повышением температуры синтеза до 350 и 500°С на поверхности силикагелей образуются титаноксидные структуры с координационным окружением титана по кислороду, характерным для анатаза и рутила.

На поверхности БВА-15 в ходе синтеза, помимо атомов титана с октаэдрическим окружением, наблюдалось присутствие атомов титана с тетраэдрическим окружением. В случае осуществления синтеза при температуре 200°С на поверхности 8ВА-15 формируются структуры с координационным окружением титана равным четырём и шести (анатаз). Доля атомов титана, находящихся в тетраэдрическом окружении, при увеличении числа циклов синтеза от одного до четырёх уменьшается с 48% до 20%. В результате повышения температуры синтеза до 350°С на поверхности 8ВА-15 формировались три типа титаноксидных структур. После проведения первого цикла на поверхности 8ВА-15 в основном (59%) образовывались титаноксидные структуры с координационным окружением равным четырём. Доли титаноксидных структур с октаэдрическим окружением атомов титана как в анатазе и рутиле составляли 24% и 17% соответственно. После осуществления второго цикла доля структур с тетраэдрическим окружением титана снижалась до 14%, а доля анатазоподобных и рутилоподобных увеличивалась до 60% и 26% соответственно. С проведением третьего и четвёртого циклов доля атомов титана в тетраэдрическом и в октаэдрическом окружении (анатаз, рутил) практически не изменились.

5. Впервые с применением сканирующей электронной микроскопии установлено, что в результате проведения четырёх циклов МН при температуре

200°С изменения в структуре образцов, по сравнению с исходным не модифицированным силикагелем, не проявляются, что подтверждает отсутствие объёмной кристаллической фазы в процессе МН.

При исследовании поверхности сколов гранул образца после четырёх циклов синтеза при температуре 500°С выявлены области размером от 0,1 до 0,6 мкм с повышенной концентрацией титана.

Список научных трудов по теме диссертационного исследования:

1. Коштял, Ю. М. Закономерности синтеза тиганоксидных наноструктур на поверхности дисперсного кремнезема МД-1 / Ю. М. Коптгял, А. А. Мажов, А. А. Малыгин / Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет).-СПб, 2008.-39 с. -Деп. в ВИНИТИ РАН 14.07.2008, № 604-В2008.

2. Коштял, Ю. М. Синтез титаноксидных наноструктур на поверхности дисперсного кремнезема МД-1 / Ю. М. Коштял, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Катализ: вчера, сегодня, завтра: Сборник научных трудов. - Спб.: СП6ГШ(ТУ), 2009. - С. 240-252.

3 Влияние температуры на формирование титаноксидных структур на поверхности у-А1203 / А. А. Малков, О. М. Ищенко, Ю. М. Коштял, К. Л. Васильева, А. М. Абызов, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. - 2010. - Т. 83, № 9. - С. 1419-1423.

4. Коштял, Ю. М. Влияние температуры на формирование титаноксидных структур на мелкопористом кремнеземе / Ю. М. Коштял, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал общей химии.-2011. -Т. 81, № 1.-С. 43-50.

5. Синтез титаноксидных структур на поверхности мезопористого диоксида кремния методом молекулярного наслаивания. Ю.М. Коштял, А. А. Малков, А. А. Малыгин, А. Н. Шмаков, М. С. Мельгунов // Коллоидный журнал. - 2011. - Т. 73, № 4. - С. 483-491.

6. Коштял Ю. М., Малков А. А., Малыгин А. А. Влияние термохимических превращений на объемное строение и состояние поверхности дисперсного кремнезема МД-1 // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2006», г. Новочеркасск, 20-26 ноября 2006 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2006, - С. 131-132.

7. Исследование фотосорбционных свойств титаноксидных наноструктур, нанесенных на различные виды кремнеземов / Ю.М. Коштял, А.А. Малков, А.А. Малыгин, А.А. Евстрагов // Тезисы докладов П Молодежной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии», 16-18 октября 2007 г. М.: МИТХТ, 2007. - С. 70.

8. Исследование фазообразования при синтезе титаноксидных структур на поверхности кремнезема / Ю. М. Коштял, О. М. Ищенко, А. А. Малков, А А Малыгин // Тезисы докладов VI Российской конференции с участием стран СНГ «Научные основы и технологии приготовления катализаторов», 4-9 сентября 2008 г. -Новосибирск Институт катализа СО РАН, 2008. -С. 56-57.

9. Коштял Ю. М., Малков А. А., Малыгин А. А. Влияние температуры на формирование титаноксидных структур на мелкопористом кремнеземе // Тезисы докладов IV Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» Санкт-Петербург - Хилово, 28 сентября - 04 октября 2009 г., СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2009. - С. 127.

10. Влияние температуры дегидроксилирования поверхности у-А^Оз на формирование таганоксидных стругаур / А. А. Малков, О. М. Ищенко, Ю. М. Коштял, К JI Васильева, Н. В. Захарова, А. А. Малыгин // Тезисы докладов IV Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» Санкт-Петербург -Хилово, 28 сентября -04 октября 2009 г., СПб.: СПбГЩТУ), 2009. -С. 137-138.

11. Регулирование фазообразования титаноксидных структур, синтезированных методом молекулярного наслаивания / О. М. Ищенко, Ю. М. Коштял, А. А. Малков, A.A. Малыгин // Сборник тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. г. Москва 6-8 октября2009г. /М.: РОСНАНО,2009.-С. 608-610.

12. Коштял, Ю. М. Синтез и свойства титаноксидного слоя заданного фазового состава на поверхности оксидов кремния // Четырнадцатая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннот. работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2009 г. для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых канд. наук. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 57.

13. Фазообразование в процессе синтеза титаноксидных структур на поверхности дисперсных пористых кремнеземов / А. А. Малков, Е. А. Соснов, Ю, М. Коштял, А. С. Чернов, А. А. Малыгин // Материалы II международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2010: Беларусь, Россия, Украина» г. Киев 19-22 октября 2010 г. Национальная Академия Наук Украины, институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова, 2010. - С. 595.

14. Установление корреляции между данными рфа и эсдо гомогенизированной смеси диоксида титана / Ю. М. Коштял, А. С. Чернов, К. Л. Васильева, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011» г. Санкт-Петербург 30 марта - 1 апреля 2011 г. СПб.: СПбГЩТУ), 2011. - С. 26.

15. Термически стимулированные фазовые превращения дисперсного диоксида титана / А. С. Чернов, Ю. М. Коштял, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки -2011» г. Санкт-Петербург 30 марта-1 апреля 2011 г. СПб.: СПбГЩТУ), 2011. - С. 28.

Благодарности

Автор работы выражает благодарность коллективу кафедры химической нанотехнологии и материалов электронной техники Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) профессорам В. Г. Корсакову, А. А. Малыгину и доценту А. А. Малкову за обсуждение результатов исследований; сотрудникам центра коллективного пользования «Химическая сборка наноматериалов» К. Л. Васильевой, Н. В. Захаровой, О. М. Ищенко, А. М. Абызову, А. Ю. Шевкиной за помощь в проведении исследований. Также автор работы благодарит коллег из Высшей Горной школы города Алее (Ecole des Mines d'Alès) А. А. Евстратова и J.-M. Taulemesse и коллег из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН М. С. Мельгунова и А. Н. Шмакова за оказанное содействие в проведении адсорбционных и структурных исследований.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х901/[б Печ.л. 1,1 .Тираж экз. 100. Зак. № 189

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТЩТУ), тел. 49-49-365

ВВЕДЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

ГЛАВА 1 Локальное строение титанкислородных структур, синтезированных по методу молекулярного наслаивания.

1.1 Основные принципы и следствия молекулярного наслаивания.

1.2 Локальное строение синтезированных титаноксидных структур.

1.3 Координационное окружение титана в составе титаноксидных структур.

ГЛАВА 2 Фазовый состав наращиваемых в процессе молекулярного наслаивания титаноксидных структур.

2.1 Формирование кристаллической фазы диоксида титана в ходе синтеза на матрицах с развитой удельной поверхностью.

2.2 Строение на микроуровне титаноксидных структур, формирующихся в результате проведения последовательной обработки парами ТІСІ4 и Н20.

Актуальность работы. Свойства твёрдых веществ и материалов, а также эффективность их применения в значительной степени определяются точностью задания требуемых состава, структуры получаемых продуктов, а также возможностью регулирования структурно-химических характеристик объектов на атомно-молекулярном уровне. При этом всё большее внимание исследователей привлекают материалы, представляющие собой композиции из матрицы с поверхностной активной добавкой. Примером может служить диоксид титана, нанесённый на поверхность пористых носителей (силикагель, оксид алюминия, стекла и др.), существующий в различных кристаллических модификациях (анатаз, рутил, брукит) и находящий применение, в зависимости от фазового состава, в качестве сорбентов, катализаторов, пигментов, защитных, оптических и других видов функциональных покрытий.

Метод молекулярного наслаивания (МН) является перспективным способом получения титаноксидных структур на поверхности твердофазных матриц, который позволяет формировать слои с атомно-молекулярной точностью и в требуемой кристаллической или аморфной модификациях. Одной из важных фундаментальных проблем на стыке химии твёрдого тела и физической химии в процессах МН является определение условий, когда на поверхности пористой матрицы начинает формироваться кристаллическая фаза, соответствующая диоксиду титана, а также выяснение влияния на процесс начала фазообразования пористой структуры носителя и температуры синтеза.

Решение указанных задач представляет не только фундаментальный интерес, но и имеет существенное значение с практической точки зрения, так как формирующаяся на начальных стадиях МН структура оказывает влияние на фазовые превращения в системе при дальнейшем наращивании нанопокрытия, толщина которого будет определяться его функциональным назначением (керновый пигмент или наполнитель, сорбент, нанесённый катализатор и т.д.)

Таким образом, постановка исследований по изучению начальных стадий формирования кристаллической фазы диоксида титана на поверхности пористых кремнезёмов с различной структурой пор представляется актуальной задачей.

Исследования по теме диссертации проводили в рамках ФЦП развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010 гг., грантов РФФИ (№№ 05-03-32056, 08-03-00803, 09-03-12225, 11-03-00397) правительства Санкт-Петербурга (№ 2.5./29.04./029).

Целью настоящей работы является выявление закономерностей изменения химического и фазового состава титаноксидных структур, формирующихся на поверхности кремнезёмов с различной пористой структурой методом молекулярного наслаивания в результате их циклической обработки (от одного до четырёх раз) парами тетрахлорида титана и воды в интервале температур 200-500°С.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Синтезировать методом МН (1-4 цикла МН) титаноксидные структуры в температурном диапазоне 200-500°С на поверхности кремнезёмных матриц с различной пористостью, изучить химический состав продуктов и выявить его взаимосвязь с характеристиками подложек.

2. С привлечением количественного рентгенофазового анализа исследовать фазовый состав продуктов синтеза, определить динамику его изменения в зависимости от температуры и числа проведённых циклов молекулярного наслаивания.

3. С применением электронной спектроскопии диффузного отражения определить координационное окружение атомов титана на поверхности продуктов синтеза и оценить его взаимосвязь с фазовым составом.

4. Исследовать с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа размер и равномерность распределения титаноксидных структур модифицированных кремнезёмов.

Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное исследование с использованием химико-аналитических, гравиметрического (in situ) методов и рентгеноспектрального микроанализа химического состава продуктов взаимодействия различных кремнезёмов (с глобулярной структурой крупнопористого ШСКГ, мелкопористого фирмы «Acros Organics» (АО) и с упорядоченной структурой цилиндрических мезопор SBA-15) с парами тетрахлорида титана и воды в зависимости от числа циклов обработки указанными реагентами (от одного до четырёх циклов МН) в интервале температур синтеза (Тс) 200-500°С. Установлено, что при температуре 200°С, зависимость содержания титана от числа циклов МН в образцах мелкопористого кремнезёма АО носит затухающей характер, а в случае подъёма температуры синтеза до 350 и 500°С - аналогична протеканию процесса на поверхности ШСКГ и SBA-15.

Впервые в результате рентгеноспектрального микроанализа на примере модифицированного силикагеля ШСКГ показано, что после проведения одного цикла при температурах 200, 350, 500°С и четырёх циклов МН при температуре 200°С титаноксидные структуры распределяются равномерно по всему объёму гранулы. В случае проведения четырёх циклов при температуре 500°С наблюдалось некоторое повышение содержания титана по мере удаления от центра к поверхности гранулы (от 5,4 до 8,3 мас.%).

На основании результатов количественного рентгенофазового анализа установлено, что для всех образцов после первого цикла обработки парами тетрахлорида титана и воды при 200 и 350°С полученные продукты рентгеноаморфны. При температуре синтеза 200°С анатаз начинает проявляться в образцах модифицированного ШСКГ после третьего цикла, а в образцах АО и БВА-И после четвёртого цикла МН. В результате осуществления синтеза при 350°С во всех модифицированных кремнезёмах появление фазы анатаза отмечается после проведения двух циклов обработки парами ТіС14 и Н20. Наряду с анатазной при 350°С отмечено образование рутильной модификации диоксида титана, суммарное содержание которых возрастает с увеличением числа циклов МН. После первого цикла, проведённого при 500°С, были зафиксированы рефлексы кристаллических модификаций на рентгенограммах образцов модифицированных силикагелей ШСКГ (анатаз, рутил) и АО (рутил), что, по-видимому, обусловлено протеканием побочных реакций, приводящих к образованию объёмной фазы диоксида титана.

Установлена корреляция между координационным числом титана по кислороду в нанесённых титаноксидных структурах, которое было определено на основании первых производных спектров электронной спектроскопии диффузного отражения (ЭСДО) и фазовым составом, определённым по данным рентгенофазового анализа (РФА).

Показано, что на поверхности 8ВА-15 формируются титаноксидные структуры, атомы титана в которых находятся в октаэдрическом и тетраэдрическом окружении.

Впервые с применением сканирующей электронной микроскопии на примере образцов ШСКГ показано, что в результате проведения четырёх циклов МН при температуре 200°С не проявляются изменения в структуре образцов по сравнению с исходным, не модифицированным силикагелем. На поверхности сколов гранул образца после четырёх циклов синтеза при температуре 500°С выявлены области с повышенной концентрацией титана.

Практическая значимость работы. Установленные в работе закономерности наращивания и формирования кристаллической фазы в процессе МЫ на пористых матрицах могут быть использованы для создания нанесённых катализаторов, модифицированных сорбентов, керновых пигментов и наполнителей композиционных материалов, функциональных покрытий, в которых, в зависимости от назначения, требуется не только различное заданное содержание той или иной кристаллической фазы диоксида титана, но и получение заданных по составу, равномерно распределённых в пористом объёме.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности наращивания титаноксидных структур, синтезированных методом молекулярного наслаивания в процессе 1-4 циклов обработки кремнезёмов с различной пористой структурой парами тетрахлорида титана и воды в интервале температур 200-500°С.

2. Результаты рентгеноспектрального микроанализа и сканирующей электронной микроскопии по исследованию равномерности распределения титана в составе поверхностных структур, их размерам в объёме силикагеля ШСКГ.

3. Закономерности фазообразования, а также количество и соотношение фаз в синтезированных поверхностных титаноксидных структурах в зависимости от числа циклов МН, температуры в интервале 200-500°С и пористости носителя.

4. Взаимосвязь между условиями синтеза, пористой структурой и координационным окружением атомов титана в составе наращиваемых титаноксидных структур.

Работа выполнена на кафедре химической нанотехнологии и материалов электронной техники Санкт-Петербургского Государственного технологического института (Технического университета).

Благодарности

Автор работы выражает благодарность коллективу кафедры химической нанотехнологии и материалов электронной техники Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) профессорам В. Г. Корсакову, А. А. Малыгину и доценту А. А. Малкову за обсуждение результатов исследований; сотрудникам центра коллективного пользования «Химическая сборка наноматериалов» К. Л. Васильевой, Н. В. Захаровой, О. М. Ищенко, А. М. Абызову, А. Ю. Шевкиной за помощь в проведении исследований. Также автор работы благодарит коллег из Высшей Горной школы города Алее (Ecole des Mines d'Alès) A. A. Евстратова и J.-M. Taulemesse и коллег из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН М. С. Мельгунова и А. Н. Шмакова за оказанное содействие в проведении адсорбционных и структурных исследований.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

выводы

1. При температурах 200, 350, 500°С попеременной обработкой (1-4 цикла) парами ТлС14 и Н20 кремнезёмов с различной пористой структурой осуществлён синтез поверхностных титаноксидных структур. С использованием химико-аналитических и адсорбционных методов, количественного рентгенофазового анализа, электронной спектроскопии диффузного отражения, сканирующей электронной микроскопии изучены закономерности химических, фазовых и морфологических превращений.

2. Показано, что в случае проведения синтеза на силикагеле ШСКГ (глобулярная структура) и кремнезёме 8ВА-15 (упорядоченная структура цилиндрических пор), имеющих близкие значения средних диаметров пор, максимальный прирост титана происходит в результате первого цикла обработки, а с увеличением их числа от двух до четырех концентрация титана в образцах возрастает линейно.

При синтезе на мелкопористом силикагеле АО (глобулярная структура), который имеет меньший диаметр пор, процесс наращивания титаноксидных структур зависит от температуры синтеза. При 200°С прирост титана носит затухающий характер. С подъёмом температуры синтеза до 350 и 500°С, также как и в случае синтеза на ШСКГ, максимальный прирост титана наблюдается на первом цикле, а при последущем синтезе (2-4 цикла) концентрация в образцах увеличивается линейно.

Высказано предположение, что причиной затухания роста может быть частичное перекрывание устьев части мелких пор синтезированными титангидроксидными (титангидроксохлоридными) группировками, ограничивающими доступ в эти поры молекул тетрахлорида титана на последующих стадиях циклического процесса.

Впервые с использованием рентгеноспектрального микроанализа на примере модифицированного силикагеля ШСКГ показано, что в ходе проведения одного цикла синтеза при температурах 200, 350, 500°С и четырёх циклов МН при температуре 200°С титаноксидные структуры распределяются равномерно по всему объёму гранулы. В случае проведения четырёх циклов синтеза при температуре 500°С наблюдали повышение содержания титана по мере удаления от центра к поверхности частицы образца от 5,4 до 8,3 мас.%. Высказано предположение о протекании при указанной температуре побочных процессов, связанных с образованием объёмной фазы диоксида титана в результате гидролиза Т1С14 молекулами воды, образующимися при взаимодействии паров хлороводорода с гидроксильными группами.

3. Установлено, что для всех исследованных образцов после первого цикла обработки парами тетрахлорида титана и воды при 200 и 350°С полученные продукты рентгеноаморфны и объёмной кристаллической фазы диоксида титана в них не обнаружено. Кристаллическая модификация диоксида титана в форме анатаза начинает проявляться по данным РФА в образцах ШСКГ, АО, 8ВА-15 после третьего (образец ШСКГ) или четвёртого (образцы АО и 8ВА-15) циклов МН при температуре синтеза 200°С и после второго цикла МН при 350°С для всех полученных продуктов. При подъёме температуры синтеза до 350°С отмечено также появление, наряду с анатазной, рутильной модификации диоксида титана. В случае проведения синтеза при 500°С уже после первого цикла МН присутствие кристаллических фаз было зафиксировано на рентгенограммах модифицированных силикагелей ШСКГ (анатаз и рутил), АО (рутил).

Содержание кристаллических модификаций анатаза и рутила в составе модифицированных кремнезёмов возрастает как с увеличением числа циклов МН, так и температуры синтеза. Отмечено, что упорядоченная пористая структура 8ВА-15, по сравнению с глобулярной ШСКГ и АО, оказывает более существенное влияние на формирование анатаза, проявляющееся в большем относительном и абсолютном его содержании в образцах, полученных при температуре 350°С.

4. В ходе проведения синтеза при температуре 200°С на силикагелях ШСКГ и АО образуются титаноксидные структуры, координационное окружение титана в которых равно шести и подобно кислородному окружению атомов титана в структуре анатаза. С повышением температуры синтеза до 350 и 500°С на поверхности силикагелей образуются титаноксидные структуры с координационным окружением титана по кислороду, характерным для анатаза и рутила.

На поверхности 8ВА-15 в ходе синтеза, помимо атомов титана с октаэдрическим окружением, наблюдалось присутствие атомов титана с тетраэдрическим окружением. В случае осуществления синтеза при температуре 200°С на поверхности 8ВА-15 формируются структуры с координационным окружением титана равным четырём и шести (анатаз). Доля атомов титана, находящихся в тетраэдрическом окружении при увеличении числа циклов синтеза от одного до четырёх уменьшается с 48% до 20%. В результате повышения температуры синтеза до 350°С на поверхности 8ВА-15 формировались три типа титаноксидных структур. После проведения первого цикла на поверхности 8ВА-15 в основном (59%) образовывались титаноксидные структуры с координационным окружением равным четырём. Доли титаноксидных структур с октаэдрическим окружением атомов титана как в анатазе и рутиле составляли 24% и 17% соответственно. После осуществления второго цикла доля структур с тетраэдрическим окружением титана снижалась до 14%, а доля анатазоподобных и рутилоподобных увеличивалась до 60% и 26% соответственно. С проведением третьего и четвёртого циклов доля атомов титана в тетраэдрическом и в октаэдрическом окружении (анатаз, рутил) практически не изменились.

5. Впервые с применением сканирующей электронной микроскопии установлено, что в результате проведения четырёх циклов МН при температуре 200°С изменения в структуре образцов, по сравнению с исходным не модифицированным силикагелем, не проявляются, что подтверждает отсутствие объёмной кристаллической фазы в процессе МН.

При исследовании поверхности сколов гранул образца после четырёх циклов синтеза при температуре 500°С выявлены области размером от 0,1 до 0,6 мкм с повышенной концентрацией титана.

Заключение

Проведённый анализ литературы показал, что локальное строение образующихся в ходе последовательной обработки парами ТіС14 и Н20 титаноксидных структур достаточно подробно изучено. С использованием ИК-спектроскопии было показано образование связей =8і-0-Ті во время проведения стадии хемосорбции ТіС14. Систематически изучено влияние температуры синтеза, а также пористой структуры матрицы на количество формирующихся связей между атомами титана и подложкой. Продемонстрировано влияние температуры и числа циклов модифицирования на координационное окружение титана в составе наращиваемых титаноксидных структур.

Гораздо менее изученным является процесс фазообразования диоксида титана в процессе синтеза по методу МН. Согласно литературным данным, появление кристаллической фазы в составе продуктов синтеза происходит на первых четырёх циклах; было показано влияние температуры синтеза на фазовый состав титаноксидных структур. Однако из представленных литературных данных не представляется возможным однозначно ответить на ряд вопросов, ответы на которые важны с точки зрения описания протекающих в ходе синтеза процессов. Например, не ясно, в каком виде образуется фаза ТЮ2, - в виде тонких слоёв, толщиной несколько ангстрем, покрывающих поры, или в виде частиц диоксида титана. Отличается ли фазовый состав на поверхности гранул и в пористом пространстве? Как влияет температура и число циклов синтеза на содержание кристаллической фазы в составе наращиваемых титаноксидных структур? Зависит ли степень кристалличности формирующихся титаноксидных структур от пористой структуры и др.

С учётом изложенного в настоящей работе была поставлена задача исследовать процессы фазообразования в ходе последовательной обработки парами Т1С14 и Н20 кремнезёмных матриц с различной пористой структурой. Для решения указанной задачи был осуществлён синтез и проведены исследования продуктов синтеза с использованием химического анализа, электронной спектроскопии диффузного отражения, количественного рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии.

ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 3 Характеристика используемых веществ, методики синтеза и исследований

3.1 Характеристика используемых веществ и материалов

В качестве исходных твердофазных матриц в работе использовали силикате ль ШСКГ [92], мелкопористый силикагель фирмы «Асгоб О^апісБ» (код продукта 240380050), обозначаемый далее как АО, кремнезём 8ВА-15, синтезированный в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН по методике "золь-мезофаза" [93]. Адсорбционно-структурные характеристики исходных подложек представлены в таблице 3.1.

1. И. Кольцов// Журнал прикладной химии. - 1965. - Т. 38, № 6. - С. 1384.

2. Изучение взаимодействия четыреххлористого титана с силикагелем / С. И. Кольцов, В. Б. Алесковский // Журнал прикладной химии. 1967. - Т. 40, № 4. - С. 907.

3. Получение и исследование продуктов взаимодействия четыреххлористого титана с силикагелем / С. И. Кольцов // Журнал прикладной химии. 1969. - Т. 42, № 5. - С. 1023-1028.

4. Кольцов, С. И. Изучение взаимодействия четыреххлористого титана с кремнием / С. И. Кольцов, Г. В. Свешникова, В. Б. Алесковский // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. -1969. Т. 12, № 5. - С. 562-564.

5. Волкова, А. Н. Взаимодействие некоторых хлоридов с силикагелем реакции молекулярного наслаивания : дис. . канд. хим. наук / Волкова Александра Николаевна. - Л., 1969. - 171 с.

6. Кольцов, С. И. Синтез твёрдых веществ методом молекулярного наслаивания : дис. . д-ра хим. наук / Кольцов Станислав Иванович. Л., 1971. - 383 с.

7. Структурно-химическая природа поверхности кремнезёмов и ее влияние на строение титанкислородных слоев, синтезированных по методу молекулярного наслаивания / В. Н. Пак // Журнал физической химии. 1976. - Т. 50, вып. 5. - С. 1266-1268.

8. Ковальков, В. И. Синтез высокодисперсных твердых веществ с заданными структурно-химическими свойствами поверхности методом молекулярного наслаивания и исследование их свойств : дис. . канд. хим. наук / Ковальков Владимир Иванович. Л., 1977. - 188 с.

9. Смирнов, В. М. Химия поверхностных химических соединений производных полидиоксида кремния (дисперсного кремнезема) : дис. . д-ра хим. наук : 02.00.18 / Смирнов Владимир Михайлович. СПб., 1994. - 526 с.

10. Алесковский, В. Б. Химия твердых веществ: учебное пособие для вузов / В. Б. Алесковский. М. : Высшая школа, 1978. - 256 с.

11. Дзисько, В. А. Основы методов приготовления катализаторов / В. А. Дзисько. Новосибирск. : Наука, 1983. 263 с.

12. Atomic Layer Deposition of Photocatalytic Ti02 Thin Films from Titanium Tetramethoxide and Water / V. Pore et al. // Chemical Vapor Deposition. 2004. - V. 3, № 10. - P. 143-148.

13. Effect of thickness of ALD grown Ti02 films on photoelectrocatalysis / M. Heikkila et al. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2009. - V. 204, № 2-3. - P. 200-208.

14. Explosive Crystallization in Atomic Layer Deposited Mixed Titanium Oxides / V. Pore et al. // Crystal Growth and Design. 2009. - V. 9, №7.-P. 2974-2978.

15. Effect of water dose on the atomic layer deposition rate of oxide thin films / R. Matero et al. // Thin Solid Films. 2000. - V. 368, № 1. - P. 1-7.

16. Rahtu, A. In Situ Mass Spectrometry Study on Atomic Layer Deposition from Metal (Ti, Ta, and Nb) Ethoxides and Water / A. Rahtu, K. Kukli, M. Ritala // Chemistry of Materials. 2001. - V. 13, № 3. - P. 817-823.

17. The Formation of Titanium Oxide Monolayer Coatings, on Silica Surfaces / S. Srinivasan et al. // Journal of catalysis. 1991. - V. 131, № 1. -P. 260-271.

18. Asakura, K. Structure of one atomic layer titanium oxide on silica and its palladium-mediated restructuring / K. Asakura, J. Inukai, Y. Iwasawa // The Journal of Physical Chemistry. 1992. - V. 96, № 2. - P. 829-834.

19. Titanium isopropoxide as a precursor in atomic layer epitaxy of titanium dioxide thin films / M. Ritala et al. // Chemistry of materials. 1993. -V. 5, №8.-P. 1174-1181.

20. Processing of catalysts by atomic layer epitaxy: modification of supports / M. Lindblad et al. // Applied Surface Science. 1997. - V. 121-122. -P. 286-291.

21. Preparation and in-Situ Spectroscopic Characterization of Molecularly Dispersed Titanium Oxide on Silica / X. Gao et al. // The Journal of Physical Chemistry B. 1998. - V. 102, № 29. - P. 5653-5666.

22. Structural Characteristics and Reactivity/Reducibility Properties of Dispersed and Bilayered V205/Ti02/Si02 Catalysts / X. Gao et al. // The Journal of Physical Chemistry B. 1999. - V. 103, №4.-P. 618-629.

23. Titanium isopropoxide as a precursor for atomic layer deposition: characterization of titanium dioxide growth process / J. Aarik et al. // Applied Surface Science. 2000. - V. 161, № 3-4. - P. 385-395.

24. Reaction Mechanism Studies on Titanium Isopropoxide-Water Atomic Layer Deposition Process / A. Rahtu, M. Ritala // Chemical Vapor Deposition. -2002. V. 8, № 1.-P. 21-28.

25. Lee, J. P. Atomic Layer Deposition of Ti02 Thin Films on Mixed Self-Assembled Monolayers Studied as a Function of Surface Free Energy / J. P. Lee, Y. J. Jang, M. M. Sung // Advanced Functional Materials. 2003. - V. 13, № 11.-P. 873-876

26. Atomic layer deposition and surface characterization of highly dispersed titania/silica-supported vanadia catalysts / J. Keranen et al. // Catalysis Today. 2003. - V. 78, № 1-4. - P. 149-157.

27. Preparation by atomic layer deposition and characterization of active sites in nanodispersed vanadia/titania/silica catalysts / J. Keranen et al. // Catalysis Today. 2004. - V. 91-92. - P. 67-71.

28. Nanolaminated Al203-Ti02 thin films grown by atomic layer deposition / Y. S. Kim, S. Y. Yun // Journal of Crystal Growth. 2005. - V. 274, №3-4.-P. 585-593.

29. Grafting of titanium alkoxides on high-surface Si02 support: An advanced technique for the preparation of nanostructured Ti02/Si02 catalysts / M. Cozzolino et al. // Applied Catalysis A: General. 2007. - V. 325, № 2. -P. 256-262.

30. Surface Reaction Mechanisms during Plasma-Assisted Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide / V. R. Rai, S. Agarwai // The Journal of Physical Chemistry C. 2009. - V. 113, № 30. - P. 12962-12965.

31. TiOx-VOx Mixed Oxides on SBA-15 Support Prepared by the Designed Dispersion of Acetylacetonate Complexes: Spectroscopic Study of the

32. Reaction Mechanisms / Y. Segura et al. // The Journal of Physical Chemistry B. 2004. - V. 108, № 12. - P. 3794-3800.

33. Characterization of Vanadium and Titanium Oxide Supported SBA-15 / Y. Segura et al. // The Journal of Physical Chemistry B. 2005. - V. 109, №24.-P. 12071-12079.

34. Characterisation of metal oxide films deposited by non-hydrolytic ALD / P. J. Evans et al. // Surface and interface analysis. 2006. - V. 38, № 4. P. 740-743.

35. Неорганические хлориды (химическая технология) / А. А. Фурман. М. : Химия, 1980. - 416 с.

36. Лучинский, Г. П. Химия титана / Г. П. Лучинский. М. : Химия, 1971.-470 с.

37. Соснов, Е. А. Влияние химико-технологических факторов на состав продуктов взаимодействия TiCl4 с поверхностью кремнезема / Е. А. Соснов, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. -2000. Т. 73, вып. 7. - С. 1074-1078.

38. Осипенкова О. В. Локальные физико-химические превращения на поверхности кремнезёма в процессах взаимодействия с TiCl4, VOCl3, Cr02Cl2 и Н20 : дис. . канд. хим. наук : 02.00.18 / Осипенкова Ольга Викторовна. СПб., 1997. - 177 с.

39. Соснов, Е. А. Гидролитическая устойчивость связей Si-O-Ti в процессе химической сборки титаноксидных наноструктур на поверхности кремнеземов / Е. А. Соснов, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Успехи химии. 2010. - Т. 79, № 10. - С. 987-1000.

40. Role of Water in the Atomic Layer Deposition of Ti02 on Si02 / W. Gu, C. P. Tripp // Langmuir. 2005. - V.21,№l.-P.211-216.

41. Осипенкова, О. В. Влияние парафазного гидролиза на химический состав и строение титансодержащих групп на кремнеземе / О.

42. В. Осипенкова, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал общей химии. -1994. Т. 64, вып. 4. - С. 549-553.

43. Synthesis and transformations of Ti-containing structures on the surface of silica gel / A. A. Malkov et al. // Applied Surface Science. 1997. -V. 108, № l.-P. 133-139.

44. Chlorination of Silica Surfaces / M. L. Hair, W. Hertl // The Journal of Physical Chemistry. 1973. - V. 77, № 17. - P. 2070-2075.

45. Reactions of titanium tetrachloride and trimethylaluminum at silica surfaces studied by using infrared photoacoustic spectroscopy / J. B. Kinney, R. H. Staley // The Journal of Physical Chemistry. 1983. - V. 87, № 19. -P. 3735-3740.

46. Исследование поверхности модифицированного кремнезёма методом ИК спектроскопии диффузного пропускания / С. В. Хабибова и др. // Журнал прикладной химии. 1989. - Т. 62, вып. 2. - С. 341-344.

47. Schrijnemakers, К. Characterization of a silica surface by means of TiCl4-modifed quantitative surface analysis / K. Schrijnemakers, P. Van Der Voort, E. F. Vansant // Physical Chemistry Chemical Physics. 1999. - V. 1, № 10.-P. 2569-2572.

48. Schrijnemakers, K. Deposition of a Titania Coating on Silica by Means of the Chemical Surface Coating / K. Schrijnemakers, N. R. E. N. Impens, E. F. Vansant // Langmuir. 1999. - V. 15, № 18. - P. 5807-5813.

49. Schrijnemakers, K. Identification of Surface-TiClx Groups on Silica by Raman Spectroscopy / K. Schrijnemakers, P. Cool, E. F. Vansant // The Journal of Physical Chemistry B. 2002. - V. 106, № 24. - P. 6248-6250.

50. Соснов, E. А. Строение продуктов хемосорбции тетрахлорида титана пористыми кремнезёмами / Е. А. Соснов, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. 2007. - Т. 80, вып. 12. - С. 19781983.

51. Haukka, S. An IR and NMR study of the chemisorption of titanium tetrachloride on silica / S. Haukka, E.-L. Lakomaa, A. Root // The Journal of Physical Chemistry. 1993. - V. 97, № 19. - P. 5085-5094.

52. Chemical reactions at silica surfaces / B. A. Morrow, A. J. McFarlan // Journal of Non-Crystalline Solids. 1990. - V. 120, № 1-3. - P. 61-71.

53. Kunawicz, J. Reactions of Silica Surfaces with Hydrogen Sequestering Agents / J. Kunawicz, P. Jones, J. A. Hockey // Transactions of the Faraday Society 1971.-V. 67.-P. 848-853.

54. Reactions of HMDS, TiCl4, ZrCl4, and A1C13 with Silica As Interpreted from Low-Frequency Diffuse Reflectance Infrared Spectra / A. Kytokivi, S. Haukka // The Journal of Physical Chemistry B. 1997. - V. 101, №49.-P. 10365 -10372.

55. Малков, А. А. Термические превращения титаноксохлоридных наноструктур на поверхности кремнезема / А. А. Малков, Е. А. Соснов, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. 2005. - Т. 78, вып. 6. - С. 881-886.

56. New Ti-SBA mesoporous solids functionnalized under gas phase conditions: characterisation and application to selective oxidation of alkenes / F. Chiker et al. // Applied Catalysis A: General. 2003. - V. 243, № 2. - P. 309-321.

57. Morrow, B. A. Infrared Spectra of Adsorbed Molecules on Thin Silica Films / B. A. Morrow, C. P. Tripp, R. A. McFarlan // Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 1984. - P. 1282-1284.

58. Reactions of Titanium Tetrachloride with Silica Gel Surfaces / O. H. Ellestad, U. Blindheim // Journal of Molecular Catalysis. 1985. - V. 33, № 3. - P. 275-287.

59. Соснов, Е. А. Изучение взаимодействия TiCU с поверхностью кремнезема / Е. А. Соснов, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. 1988. - Вып. 1. - С. 29-34.

60. Lakomaa, E.-L. Atomic layer growth of ТЮ2 on silica / E.-L. Lakomaa, S. Haukka, T. Suntola // Applied Surface Science. 1992. - V. 60-61. - P. 742-748.

61. Dispersion and distribution of titanium species bound to silica from titanium tetrachloride / S. Haukka et al. // Langmuir. 1993. - V. 9, № 12. -P. 3497-3506.

62. Квантовохимические подходы к идентификации наноструктур, синтезируемых методом молекулярного наслаивания / А. А. Малыгин, С. Д. Дубровенский // Российский химический журнал (ЖРХО им. Д. И. Менделеева). 2009. - Т. 53, № 2. - С. 98-110.

63. Environmental applications of semiconductor photocatalysis / M. R. Hoffmann et al. // Chemical Reviews 1995. - V. 95, № 1. - P. 69-96.

64. Электронные спектры окисных соединений четырёхвалентного титана / В. Н. Пак, Н. Г. Вентов // Журнал физической химии. 1975. - Т. 49, вып. 10. - С. 2535-2537.

65. Крылов, О. В. Адсорбция и катализ на переходных металлах / О. В. Крылов, В. Ф. Киселёв. М. : Химия, 1981.-288 с.

66. Пак, В. Н. Электронные спектры сверхтонких титанкислородных плёнок на поверхности кварца / В. Н. Пак, Н. Г. Вентов, С. И. Кольцов // Теоретическая и эмпирическая химия. 1974. - Т. 10, вып. 5.-С. 711-713.

67. Строение поверхности, дегидратация и восстановление титансодержащих кремнезёмов / В. Н. Пак, Ю. П. Костиков // Кинетика и катализ. 1977. - Т. 18, вып. 2. - С. 475-479.

68. Соснов, Е. А. Новый вариант обработки электронных спектров диффузного отражения / Е. А. Соснов, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал физической химии. 2009. - Т. 83, вып. 4. - С. 746-752.

69. Sosnov, Е. A. Method of ESDR-Spectra Processing for the characterization of Nanostructures at the Solid's surface / E. A. Sosnov, A. A. Malkov, A. A. Malygin // Integrated Ferroelectrics. 2008. - V. 103, № 1. - P. 41-51.

70. Preparation of Titanium Oxide Supported MCM-48 by the Designed Dispersion of Titanylacetylacetonate / K. Schrijnemakers, E. F. Vansant // Journal of Porous Materials. 2001. - V. 8, № 2. - P. 83-90.

71. Metal-ion-planted MCM-41. Part 3. Incorporation of titanium species by atom-planting method / P. Wu, M. Iwamoto // Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1998. - V. 94, № 18. - P. 2871-2875.

72. Дрозд, В. E. Синтез и исследование оксидных покрытий, полученных методом молекулярного наслаивания на поверхности полупроводников : дис. . канд. физ.-мат. наук : 01.04.10 / Дрозд Виктор Евгеньевич. JL, 1979.- 131 с.

73. Цветкова, М. Н. Молекулярное наслаивание активных структур на поверхности стеклянных микросфер и исследование их физико-химических свойств : дис. . канд. хим. наук : 02.00.04 / Цветкова Маргарита Николаевна. JL, 1980. - 194 с.

74. Пак, В. Н. Спектр диффузного отражения поверхности титансодержащего кремнезёма / В. Н. Пак, С. И. Кольцов, В. Б. Алесковский // Теоретическая и экспериментальная химия. 1973. - Т. 9, вып. 4. - С. 567-569.

75. The crystal structure of barium orthotitanate, Ba2Ti04 / J. A. Bland // Acta Crystallographica. 1961. - V. 14. - P. 875-881.

76. Ормонт, Б. Ф. Введение в физическую химию и кристалохимию полупроводников. / Б. Ф. Ормонт. Л. : Высшая школа, 1968.-487 с.

77. Structure of Chemical Vapor Deposition Titania/Silica Gel / R. Leboda et al. // Journal of Colloid and Interface Science. 1999. - V. 218, № l.-P. 23-39.

78. Gun'ko, V. M. CVD-Titania on Mesoporous Silica Gels / V. M. Gun'ko, A. G. Dyachenko, M. V. Borysenko // Adsorption. 2002. - V. 8, № 1. - P. 59-70.

79. Малков, A.A. Влияние температуры на разных стадиях молекулярного наслаивания на фазообразование титаноксидного слоя на поверхности силикагеля / А. А. Малков, Е. А. Соснов, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. 2010. - Т. 83, Вып. 9. - С. 1409-1418.

80. Determination of chromium and titanium in silica-based catalysts by ultraviolet/visible spectrophotometry / S. Haukka, A. Saastamoinen // Analyst.- 1992,-V. 117, №8.-P. 1381-1384.

81. Абызов, A. M. Рентгенодифракционных анализ поликристаллических веществ на минидифрактометре «Дифрей» : учебное пособие / А. М. Абызов. СПб. : СПбГТИ, 2008. - 95 с.

82. Supports accepteurs pour les nanocomposites photocatalytiques à base de dioxyde de titane : danger latent / C. Chis et al. // MATERIAUX 2006 : 2è Conférence interdisciplinaire sur les matériax 13-17 Novembre 2006 -Dijon, France. P. 1-12.

83. Controlling Atomic Layer Deposition of Ti02 in Aerogels through Surface Functionalization / S. Ghosal et al. // Chemistry of Materials. 2009. -V. 21, №9.- 1989-1992.

84. Formation of metal oxide particles in atomic layer deposition during the chemisorption of metal chlorides: a review / Puurunen R.L. // Chemical Vapor Deposition. 2005. - V. 11, № 2. - P. 79-90.

85. Кольцов, С. И. Исследование взаимодействия четыреххлористого углерода с кремнеземом : дис. . канд. хим. наук / Кольцов Станислав Иванович. Л., 1962. - 383 с.

86. Modern Colloidchemical Concepts of the Phenomenon of Coagulation / E. A. Hauser // The Journal of Physical Chemistry. 1951. - V. 55, №4.-P. 605-611.

87. Hauser, E. A. The Surface Structure and Composition of Colloidal Siliceous Matter / E. A. Hauser, D. S. Le Beau, P. P. Pevear // The Journal of Physical Chemistry. 1951. - V. 55, № 1. - P. 68-79.

88. ГОСТ 3956-76. Силикагель технический. Технические условия. Взамен ГОСТ 3956-54 и ГОСТ 5.2286-75 ; введ. 1977-01-01. М. : Минхимпром СССР : ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ, 2008. - 11 с.

89. Textural and structural properties of Al-SBA-15 directly synthesized at 2.9 < pH < 3.3 region / M. S. Mel'gunov et al. // Studies in Surface Science and Catalysis. 2003. - V. 146. - P. 543-546.

90. Кольцов, С. И. Силикагель, его строение и химические свойства: Сб. науч. тр. / С. И. Кольцов, В. Б. Алесковский. ЛТИ им. Ленсовета. - Л. : ЛТИ, 1963. - 96 с.

91. Кольцов, С. И. Пористые вещества : конспект лекций / С. И. Кольцов, Н. Г. Рослякова. Л. : ЛТИ, 1977. - 66 с.

92. Химия привитых поверхностных соединений / Г. В. Лисичкин и др. ; под ред. Г. В. Лисичкина. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 592 с.

93. Зайцев, В. Н. Комплексообразующие кремнеземы: синтез, строение привитого слоя и химия поверхности / В. Н. Зайцев. Харьков : Фолио, 1997.-240 с.

94. The surface chemistry of amorphous silica. Zhuravlev model / L. T. Zhuravlev // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. -2000. V. 173, №1-3.-P. 1-38.

95. ГОСТ 9293-74. Азот газообразный и жидкий. Технические условия. Введ. 2001-01-01. - М. : Стандартинформ, 2007. — 16 с. — (Межгосударственный стандарт).

96. Чарыков, А. К. Математическая обработка результатов химического анализа / А. К. Чарыков. Л. : Химия, 1984. - 168 с.

97. Incorporation of Titanium into Mesoporous Silica Molecular Sieve SBA-15 / Z. Luan et al. // Chemistry of Materials. 1999. - V. 11, № 12. - P. 3680-3686.

98. Fenelonov, V. B. Microporous and mesoporous materials / V. B. Fenelonov, V. N. Romannikov, A. L. Derevyankin. 1999. - V. 28, № 1. - P. 57-72.

99. Булатов, М. И. Практическое руководство по фотоколориметрическим методом анализа / М. И. Булатов, И. П. Калинкин. JI. : Химия, 1986. - 432 с.

100. Шарло, Г. Методы аналитической химии. 4.2. / Г. Шарло. -М. : Химия, 1969.- 1115 с.

101. Рентгенографическое определение размеров частиц / Камерон, Паттерсон // Успехи физических наук. 1939. - Т. 22, вып. 4. - С. 442-448.

102. ГОСТ 9808-84. Двуокись титана пигментная. Технические условия. Введ. 1986-01-01. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 17 с. -(Межгосударственный стандарт).

103. Коштял, Ю. М. Влияние температуры на формирование титаноксидных структур на мелкопористом кремнеземе / Ю. М. Коштял, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Журнал общей химии. 2011. - Т. 81, вып. 1.-С. 43-50.

104. Кельцев, Н. В. Основы адсорбционной техники / Н. В. Кельцев. -М. : Химия, 1984.-592 с.

105. Коштял, Ю. М. Синтез титаноксидных наноструктур на поверхности дисперсного кремнезёма МД-1 / Ю. М. Коштял, А. А. Малков, А. А. Малыгин // Катализ: вчера, сегодня, завтра: Сборник научных трудов. СПб. : СПбГТИ(ТУ), 2009. - С. 240-252.

106. Дергачев, В. Ф. Разработка технологии парогазового процесса модифицирования силикагеля ванадием : дис. . канд. техн. наук / Дергачев Владимир Федорович. Л., 1982. - 146 с.

107. Влияние степени дегидратации силикагеля на механизм гидролиза адсорбированного четыреххлористого титана / С. И. Кольцов, В. Б. Алесковский // Журнал физической химии. 1968. - Т.42, № 5. - С. 1210-1214.

108. Исследование процессов хемосорбции четыреххлористого титана поверхностью кремнезема / А. А. Чуйко и др. // Адсорбция и адсорбенты. Киев : Наукова Думка, 1980. - Вып. 8. - С. 39-42.

109. On the Mechanism of Interaction Between TiCl4 Vapour and Surface OH-groups of amorphous Si02 / D. Damyanov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids.- 1988.-V. 105, № l.-P. 107-113.

110. Ковальков, В. И. Исследование взаимодействия четыреххлористого титана с аэросилами / В. И. Ковальков и др.. JI., 1976. - 15 с. - Деп. в ВИНИТИ 18.05.1976. № 1747-76.

111. Химические перегруппировки в поверхностном слое дисперсных кремнеземов / В. В. Павлов и др. // Адсорбция и адсорбенты. Киев : Наукова Думка, 1976. - № 4. - С. 62-69.

112. Horn, М. Refinement of the structure of anatase at several temperatures / M. Horn, C. F. Schwerdtfeger, E. P. Meagher // Zeitschrift fur Kristallographie. 1972. - Bd. 136. - S. 273-281.

113. Синтез титаноксидных структур на поверхности мезопористого диоксида кремния методом молекулярного наслаивания. Ю. М. Коштял и др. // Коллоидный журнал. 2011. - Т. 73, № 4. - С. 483-491.

114. Nonionic Triblock and Star Diblock Copolymer and Oligomeric Surfactant Syntheses of Highly Ordered, Hydrothermally Stable, Mesoporous Silica Structures / D. Zhao et al. // Journal of American Chemical Society. -1998. V. 120, № 24. - P. 6024-6036.

115. A New Templated Ordered Structure with Combined Micro- and Mesopores and Internal Silica Nanocapsules / P. Van Der Voort et al. // Journal of Physical Chemistry B. 2002. - V. 106, № 23. - P. 5873-5877.

116. Linsebigler, A. L. Photocatalysis on Ti02 Surfaces: Principles, Mechanisms, and Selected Results / A. L. Linsebigler, G. Lu, J. T. Yates, Jr. // V. 95, № 3.-735-758.

117. Влияние титаноксидного слоя на диэлектрические характеристики пирогенного кремнезема / В. И. Зарко и др. // Журнал прикладной химии. 1992. - Т. 65, вып. 7. - С. 1556-1560.

118. Titanium deposited from TiCl4 on amorphous silica and silicalite-1 as catalyst in aromatic hydroxylation reactions / P. J. Kooyman et al. // Catalysis Letters. 1992. - V. 13, № 3. - P. 229-238.

119. Growth of titanium dioxide thin films by atomic layer epitaxy / M.Ritala et al. // Thin Solid Films. 1993. - V. 225, № 1-2. - P. 288-295.

120. Atomic force microscopy study of titanium dioxide thin films grown by atomic layer epitaxy / M. Ritala et al. // Thin Solid Films. 1993. -V. 228, № 1-2.-P. 32-35.

121. Haukka, S. Analytical and chemical techniques in the study of surface species in atomic layer epitaxy / S. Haukka, E.-L. Lakomaa, T. Suntola // Thin Solid Films. 1993. - V. 225, № 1-2. - P. 280-283.

122. Atomic layer epitaxy (ALE) on porous substrates / E.-L. Lakomaa // Applied Surface Science. 1994. - V. 75, № 1-4. - P. 185-196.

123. Atomic Layer Epitaxy Growth of Titanium Dioxide Thin Films from Titanium Ethoxide / M. Ritala, M. Leskela // Chemistry of Materials. -1994.-V. 6, №4.-P. 556-561.

124. Morphology and structure of Ti02 thin films grown by atomic layer deposition / J. Aarik et al. // Journal of Crystal Growth. 1995. - V. 148, № 3. -P. 268-275.

125. Aarik, J. Atomic-layer growth of Ti02 -II thin films / J. Aarik, A. Aidla, T. Uustare // Philosophical Magazine Letters. 1996. - V. 73, № 3. -P. 115-119.

126. Control of thin film structure by reactant pressure in atomic layer deposition of Ti02 / J. Aarik et al. // Journal of Crystal Growth. 1996. - V. 169, №3,-P. 496-502.

127. Surface chemistry of materials deposition at atomic layer level / T. Suntola // Applied Surface Science. 1996. - V. 100-101. - P. 391-398.

128. Effect of growth conditions on formation of Ti02-II thin films in atomic layer deposition process / J. Aarik et al. // Journal of Crystal Growth. -1997. V. 181, № 3. - P. 259-264.

129. Atomic layer epitaxy a valuable tool for nanotechnology? / M. Ritala, M. Leskela // Nanotechnology. - 1999. - V. 10. - P. 19-24.

130. Characteristics of the Hydration Layer Structure in Porous Titania-Silica Obtained by the Chemical Vapor Deposition Method / R. Leboda et al. // Langmuir. 1999. - V. 15. - P. 8441-8446.

131. Anomalous effect of temperature on atomic layer deposition of titanium dioxide / J. Aarik et al. // Journal of Crystal Growth. 2000. - V. 220, №4.-P. 531-537.

132. Real-Time Monitoring in Atomic Layer Deposition of Ti02 from Til4 and H20-H202 / K. Kukli et al. // Langmuir. 2000. - V. 16, № 21. - P. 8122-8128.

133. Atomic Layer Deposition of Titanium Oxide from Til4 and H202 / K. Kukli et al. // Chemical Vapor Deposition. 2000. - V. 6, № 6. - P. 303-310.

134. Atomic Layer Chemical Vapor Deposition of Ti02 Low Temperature Epitaxy of Rutile and Anatase / M. Schuisky et al. // Journal of The Electrochemical Society. 2000. - V. 147, № 9. - P. 3319-3325.

135. Structure of carbonized mesoporous silica gel/CVD-titania / R. Leboda et al. // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2000. - V. 167, № 3. - P. 275-285.

136. Theoretical evaluation of film growth rate during atomic layer epitaxy / H. S. Park et al. // Applied Surface Science. 2000. - V. 158, № 1-2. -P. 81-91.

137. Atomic layer deposition of titanium dioxide from TiCl4 and H20: investigation of growth mechanism / J. Aarik et al. // Applied Surface Science. -2001.-V. 172, № 1-2.-P. 148-158.

138. Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures / M. Leskela, M. Ritala // Thin Solid Films. 2002. - V. 409, № 1. -P. 138-146.

139. Growth per cycle in atomic layer deposition: a theoretical model / R. L. Puurunen // Chemical Vapor Deposition. 2003. - V. 9, № 5. - P. 249-257.

140. Influence of Si(l 0 0) surface pretreatment on the morphology of Ti02 films grown by atomic layer deposition / K. S. Finnie et al. // Thin Solid Films. 2003. - V. 440, № 1-2. - P. 109-116.

141. Mitchell, D. R. G. Transmission electron microscopy studies of atomic layer deposition Ti02 films grown on silicon / D. R. G. Mitchell, D. J. Attard, G. Triani // Thin Solid Films. 2003. - V. 441, № 1-2. - P. 85-95.

142. Growth per cycle in atomic layer deposition: real application examples of a theoretical model / R. L. Puurunen // Chemical Vapor Deposition.- 2003. V. 9, № 6. - P. 327-332.

143. Gas-phase synthesis, structure and surface acid-base properties of highly dispersed vanadia/titania/silica catalysts / J. Keranen et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2003. - V. 5, № 23. - P. 5333-5342.

144. Малков, А. А. Синтез и гравиметрический контроль формирования in situ титаноксидного монолоя на поверхности кремнезема / А. А. Малков, Е. А. Соснов, А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии.- 2004. Т. 77, вып. 8. - С. 1245-1248.

145. Random deposition as a growth mode in atomic layer deposition / R. L. Puurunen // Chemical Vapor Deposition. 2004. - V. 10, № 3. - P. 159-170.

146. Island growth as a growth mode in atomic layer deposition: A phenomenological model / R. L. Puurunen, W. Vandervorst // Journal of Applied Physics. 2004. - V. 96, № 12. - P. 7686-7695

147. ТЕМ and ellipsometry studies of nanolaminate oxide films prepared using atomic layer deposition / D. R. G. Mitchell et al. // Applied Surface Science. 2005. - V. 243, № 1-4. - P. 265-277.

148. Atomic layer deposition in porous structures: 3D photonic crystals / J. S. King et al. // Applied Surface Science. 2005. - V. 244, № 1-4. - P. 511-516.

149. Влияние титаноксидных нанопокрытий на качество поверхности стеклянных изделий электронной техники / А. А. Малков и др. // Физика и химия стекла. 2006. - Т. 32, вып. 1. - С. 100-105.

150. Initial Surface Reactions of Ti02 Atomic Layer Deposition onto Si02 Surfaces: Density Functional Theory Calculations / Z. Ни, С. H. Turner // Journal of Physical Chemistry B. 2006. - V. 110, № 6. - P. 8337-8347.

151. Atomic layer deposition of Ti02-xNx thin films for photocatalytic applications / V. Pore et al. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2006. V. 177, № 1. - P. 68-75.

152. Structural study of Ti02 thin films by micro-Raman spectroscopy / A. Niilisk et al. // Central European Journal of Physics. 2006. - V. 4, № 1. -P. 105-116.

153. Atomic layer deposition of Ti02 and A1203 thin films and nanolaminates / D. R. G. Mitchell et al. // Smart materials and structures. -2006.-V. 15, № 1. P. 57-64.

154. Film Uniformity in Atomic Layer Deposition / K.-E. Elers et al. // Chemical Vapor Deposition. 2006. - V. 12, № 1. - P. 13-24.

155. Atomic Layer Deposition for Nano-Fabrication of Optoelectronic Devices / E. Graugnard et al. // Electrochemical Society Transactions. 2007. -V. 3,№ 15.-P. 191-205.

156. Knez, M. Synthesis and Surface Engineering of Complex Nanostructures by Atomic Layer Deposition / M. Knez, K. Nielsch, L. Niinisto // Advanced Materials. 2007. - V. 19, № 21. - P. 3425-3438.

157. Puurunen, R. L Implementing ALD Layers in MEMS processing / R. L. Puurunen, J. Saarilahti, H. Kattelus // Electrochemical society transactions. -2007. V. 11, №7.-P. 3-14.

158. Ti Source Precursors for Atomic Layer Deposition of Ti02, STO and BST / R. Katamreddy et al. // Electrochemical Society Transactions. -2008. V. 16, № 4. - P. 113-122.

159. Deposition of Ti02 Films by Liquid Injection ALD Using New Titanium 2,5-dimethylpyrrolyl Complexes / H. O. Davies et al. // Electrochemical Society Transactions. 2009. - V. 25, № 8. - P. 813-819.

160. Advanced Precursor Development for Sr and Ti Based Oxide Thin Film Applications / R. Katamreddy et al. // Electrochemical Society Transactions. 2009. - V. 25, № 4. - P. 217-230.

161. Recent Development of ALD Precursors for Semiconductor Devices / S. Wada et al. // Electrochemical Society Transactions. 2009. - V. 25, №4.-P. 209-216.1. Продолжение Таблицы А. 1

162. Матрица м /г d, нм V, см3/г Т 1 ХСэ °С Пр nTi ТГ MP X Cl/Ti Те Рф ик Я СКР э Кр А С п Пс Другие методы Дополнительная информация Ссылка

163. Si(100) 200-235 тх <20 + Эллип-сомет-рия 164

164. Боросиликат-ное стекло С 52-1 200 тх 4, 8, 12 + 1651. Моделирование 166

165. Si(001) 200 250 300 тх + ам ам а + SIMS 37

166. Боросиликат-ное стекло 500 тх 2000 + а + 167

167. Аморфный Si02, монокристаллический Si 100-680 тх + + + ЕРМА 168

168. Si 200-350 тх 500 + + + + SIMS, TOF-ERDA 169

169. Si KBr 200-350 тх <500 + + + + SIMS, TOF-ERDA 1701. Обзор 52

170. ШСКГ KCC-2.5 КСС-3 КСС-4 КСМ-5 КСМ-бс 246 376 522 650 715 624 16 10 7 5 3 2 0,96 0,97 0,93 0,76 0,58 0,36 200-800 200 200 200 200 200 тх 1 + + + і о Ф 33

171. Grace S432 280 1,02 115 ти <3 + + і к а + TPD 171

172. Обзор, фотонные кристаллы 172

173. Si (100) 80-300 тх + + 173тд Статья о реагентах 1741. Продолжение Таблицы А. 1

174. Матрица <г УД' м /г сі, нм V, п см /г т Х ХС5 °С Пр пТі ТГ МР X С1/ТІ Те Рф ИК Я СКР э Кр А С П Пс Другие методы Дополнительная информация Ссылка

175. КСК-2 А-300 шскг КСК-2 200 600 600 400 тх 8 1 1 4 о к э Д Ф 73

176. КСК-2 А-300 ШСКГ КСК-2 200 600 600 400 тх 8 1 1 4 О к э д ф 72ві (100) 150-300 тд Статья о реагентах 175

177. Бііісусіе 810040М 8 100 30 150-300 150 тх ти 1-20 + + + і + э 176

178. Боросикатное стекло 325 тм э а п п Толщина плёнок 50520 нм 17тд Статья о реагентах 177ві 50-150 ти 550 і ар Эллип-сомет-рия 34

179. Аэрогель 308 631 100 тх 5 + + ИВ 8 87тд Статья о реагентах 178ві тм + + + ЕВ8Б ЕВ8Б-Карты 188Ю2 тх і Обзор 42

180. ШСКГ 235 16 200 400 600 тх 1 2 4 6 8 + + + о ф Влияние варьирования температур стадий на строение продуктов синтеза 831. Продолжение таблицы А.21. Обозначение Расшифровка

181. Пс Исследование изменений параметров структуры в результате какой-либо воздействия после синтеза

182. Рф Применение рентгенофотоэлектронной спектроскопии

183. С Использование сканирующей электронной микроскопии (расшифровку обозначений «з» и «п» см. в строке, поясняющей «П»)

184. СКР Привлечение спектроскопии комбинационного рассеяния для исследования структуры синтезированных образцов (расшифровка обозначений «і», «ех» такая же как и для «ИК»).

185. ТГ Использование термогравиметрического контроля при синтезе

186. Те Измерение адсорбционно-структурных характеристик до и после синтеза (8уд или сі или V)

187. X Представлены данные по химическому составу

188. Я Исследования с помощью ядерно-магнитного резонанса