Синтез и исследование коллоидно-химических свойств гидрозолей кислородсодержащих соединений церия и лантана

Оксиды церия и лантана широко используются в составе композиций различного назначения. В частности, они являются компонентами катализаторов многих химических реакций. При этом каталитические и другие свойства оксидных композиций вообще в значительной степени зависят от способа их приготовления, особенно в случае многокомпонентных композиций.

Одним из признанных методов, позволяющих получать оксидные композиции с требуемыми свойствами, является золь-гель метод. С точки зрения получения материалов с воспроизводимыми свойствами и на требуемом уровне, наиболее привлекательным выглядит тот вариант золь-гель метода, который подразумевает использование золей в качестве исходных компонентов. Это в свою очередь подразумевает необходимость разработки методов синтеза агрегативно устойчивых золей оксидов металлов и определение их основных коллоидно-химических свойств, от которых зависит сама возможность реализации золь-гель метода получения той или иной композиции. Кроме того, доступность агрегативно устойчивых золей того или иного оксида способствует значительному расширению областей их применения, что хорошо видно на примере золей оксидов кремния, алюминия, циркония, титана.

Цель работы заключалась в разработке способа получения агрегативно устойчивых гидрозолей кислородсодержащих соединений церия и лантана, основанного на гидролизе нитратов этих элементов, исследовании коллоидно-химических свойств полученных гидрозолей, а также их смесей и в разработке процесса получения ультрафильтрационных слоев для керамических мембран.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— определить условия гидролиза солей (нитратов) лантана и церия, обеспечивающие получение агрегативно устойчивых гидрозолей;

— подобрать стабилизатор для получения концентрированных гидрозолей;

— определить условия существования смешанных гидрозолей;

— исследовать агрегативную устойчивость отдельных гидрозолей, а также их смесей;

— исследовать реологические свойства золей, фазовый состав и размер частиц индивидуальных и смешанных гидрозолей;

— определить условия получения селективных слоев на основе диоксида церия, включая подбор композиции и выбор полимера-стабилизатора.

Научная новизна. Разработан способ синтеза агрегативно устойчивых гидрозолей кислородсодержащих соединений лантана в нейтральной среде. Установлено, что данный метод позволяет получать гидрозоли с положительно заряженными кристаллическим частицами, состоящими из смеси различных кислородсодержащих соединений лантана. Определены основные коллоидно-химические свойства данного гидрозоля (агрегативная устойчивость в присутствии электролитов, величина (^-потенциала и зависимость его величины от рН дисперсионной среды, размер частиц).

Отработаны методики синтеза гидрозоля кислородсодержащих соединений церия в слабощелочной и сильнощелочной среде и определены их основные коллоидно-химические свойства. Установлено, что при величине рН = 8,0−9,0 дисперсионной среды частицы гидрозолей состоят из смеси оксидов переменного состава, а при рН = 11 — представляют собой частицы диоксида церия. На основании данных об электрофоретической подвижности определена величина изоэлектрической точки (ИЭТ).

Определены основные коллоидно-химические свойства гидрозоля диоксида церия в сильно щелочной среде. На основании совокупности полученных данных установлено, что в обеспечении агрегативной устойчивости исследуемых золей, наряду с электростатическим, большую роль играет и адсорбционно-сольватный фактор, который обусловлен наличием гель-слоя на поверхности частиц.

Исследованы реологические свойства гидрозолей диоксида церия и обнаружено, что при смешении в определенных соотношениях гидрозолей с кислой дисперсионной средой и золей с щелочной дисперсионной средой возможно получение тиксотропного геля.

Показана возможность получения смешанных агрегативно устойчивых золей кислородсодержащих соединений лантана и церия в слабощелочной среде.

Практическая ценность. Отработаны основные стадии золь-гель процесса получения ультрафильтрационных селективных слоев керамических мембран на основе гидрозолей диоксида церия. При этом подобрана композиция, содержащая в определенных соотношениях гидрозоли диоксида церия с различной величиной рН дисперсионной среды. Получены опытные образцы ультрафильтрационных мембран на основе гидрозолей диоксида церия с высокими проницаемостью и селективностью.

Апробация работы.

Тезисы доклада «Процесс получения катализатора на основе гидрозоля диоксида церия золь-гель методом» представлены на МКХТ — XIII, Москва, РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Материалы работы дважды заслушаны на международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов ODPO» г. Сочи 2001 и 2002 гг.

Работа выполнена на кафедре коллоидной химии РХТУ им. Д. И. Менделеева при поддержке Фонда Фундаментальных исследований Российской Академии Наук.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

5. Выводы.

1. Отработана методика синтеза гидрозоля диоксида церия в щелочной среде гидролизом нитрата церия с последующей пептизацией гидроксида.

2. Разработан способ получения гидрозолей гидролизом нитрата лантана. Показано, что данные золи агрегативно устойчивы в практически нейтральной среде.

3. Определены основные коллоидно-химические свойства синтезированных гидрозолей: размер частиц, электрофоретическая подвижность частиц, агрегативная устойчивость по отношению к некоторым электролитам, фазовый состав. Сделаны предположения о факторах устойчивости гидрозолей.

4. Показана возможность получения агрегативно устойчивых смешанных гидрозолей, полученных гидролизом нитратов лантана и церия.

5. Обнаружено, что при смешении кислых и щелочных гидрозолей диоксида церия возможно получение композиции, которая может служить базой для получения селективных слоев ультрафильтрационных керамических мембран.