Особенности формирования слоистых сульфидно-гидроксидных материалов (валлериитов) в гидротермальных условиях

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

В работе рассмотрены процессы формирования в гидротермальных условиях слоистых материалов, аналогов природного минерала валлериита CuFeS2·1.53[(Mg,Al)(OH)2], образованных чередующимися двумерными сульфидными и гидроксидными слоями. Синтетические материалы охарактеризованы методами рентгенофазового анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, лазерной дифракции. Выявлено, что образование фазы валлериита при 160°С в автоклаве протекает через стадию формирования и последующего расходования промежуточных продуктов: эрдита (NaFeS2·2H2O), хейкокита (Cu4Fe5S8) и халькопирита (CuFeS2). Установлено, что образование однофазных образцов валлериита происходит при продолжительности гидротермальной обработки ие 25–70 ч, а отклонение как в большую, так и в меньшую сторону приводит к загрязнению продукта примесными фазами. Показано, что природа аниона исходных веществ (SO42-,NO3-) практически не влияет на характеристики продукта. Установлено, что применение тиомочевины в качестве источника серы вместо сульфида натрия позволяет получать фазу валлериита, незначительно загрязненную сферическими частицами карбоната магния. Показано, что в гидротермальных условиях равновесие в реакции формирования материала может быть достигнуто при использовании фазового халькопирита в качестве прекурсорной формы 2D-слоев валлериита.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Р. В. Борисов

Институт химии и химической технологии СО Российской академии наук; Сибирский федеральный университет

Author for correspondence.
Email: roma_boris@list.ru
Russian Federation, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/24; 660041 Красноярск, Свободный пр., 79

М. Н. Лихацкий

Институт химии и химической технологии СО Российской академии наук

Email: roma_boris@list.ru
Russian Federation, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/24

С. А. Воробьев

Институт химии и химической технологии СО Российской академии наук; Сибирский федеральный университет

Email: roma_boris@list.ru
Russian Federation, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/24; 660041 Красноярск, Свободный пр., 79

А. М. Жижаев

Институт химии и химической технологии СО Российской академии наук

Email: roma_boris@list.ru
Russian Federation, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/24

Е. В. Томашевич

Институт химии и химической технологии СО Российской академии наук

Email: roma_boris@list.ru
Russian Federation, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/24

References

  1. Roy S., Zhang X., Puthirath A.B., Meiyazhagan A., Bhattacharyya S., Rahman M.M., Babu G., Susarla S., Saju S.K., Tran M.K. Structure, Properties and Applications of Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride // Adv. Mater. 2021. V. 33. P. 2101589. https://doi.org/10.1002/adma.202101589
  2. Urade A.R., Lahiri I., Suresh K.S. Graphene Properties, Synthesis and Applications: A Review // JOM. 2023. V. 75. P. 614–630. https://doi.org/10.1080/10408430903505036
  3. Yang R., Fan Y., Zhang Y., Mei L., Zhu R., Qin J., Hu J., Chen Z., Ng Y.H., Voiry D. 2D Transition Metal Dichalcogenides for Photocatalysis // Ang. Chem. Int. Ed. 2023. V. 62. P. 202218016. https://doi.org/10.1002/anie.202218016
  4. Высоцкий В.В., Дмитриев А.С., Михайлова И.А., Чернышова К.Ф., Суворова О.В., Ревина А.А. Графеновые нанохлопья и гибридные нанокомпозиты с наночастицами золота и серебра: оптические и тепловые свойства // Изв. АН. Сер. хим. 2020. Т. 69. № 1. P. 32–42
  5. Geim A.K. Graphene: Status and Prospects // Science. 2009. V. 324. P. 1530–1534. https://doi.org/10.1126/science.1158877
  6. Кулакова И.И., Лисичкин Г.В. Перспективы применения графеновых наноматериалов: сорбенты, мембраны, газовые сенсоры (обзор) // Журн. прикл. химии. 2021. Т. 94. № 9. С. 1090–1103.
  7. Kloprogge J.T., Hartman H. Clays and the Origin of Life: The Experiments// Life. 2022. V. 12. P. 259. https://doi.org/10.3390/life12020259
  8. Awad A.M, Shaikh S.M.R., Jalab R., Gulied M.H., Nasser M.S., Benamor A., Adham S. Adsorption of Organic Pollutants by Natural and Modified Clays: A Comprehensive Review // Sep. Purif. Technol. 2019. V. 228. P. 115719.
  9. Long M., Wang P., Fang H., Hu W. Progress, Challenges, and Opportunities for 2D Material Based Photodetectors // Adv. Funct. Mater. 2019. V. 29. P. 1803807. https://doi.org/10.1002/adfm.201803807
  10. Hofmeister W., Von Platen H. Crystal Chemistry and Atomic Order in Brucite-related Double-layer Structures // Crystallogr. Rev. 1992. V. 3. P. 3–26. https://doi.org/10.1080/08893119208032964
  11. Vahid Mohammadi A., Rosen J., Gogotsi Y. The World of Two-Dimensional Carbides and Nitrides (MXenes) // Science. 2021. V. 372. P. eabf1581. https://doi.org/10.1126/science.abf1581
  12. Jiang J., Bai S., Zou J., Liu S., Hsu J.P., Li N., Zhu G., Zhuang Z., Kang Q., Zhang Y. Improving Stability of MXenes // Nano Res. 2022. V. 15. P. 6551–6567. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4312-8
  13. Kamysbayev V., Filatov A.S., Hu H., Rui X., Lagunas F., Wang D., Klie R.F., Talapin D.V. Covalent Surface Modifications and Superconductivity of Two-Dimensional Metal Carbide MXenes // Science. 2020. V. 369. P. 979–983. https://doi.org/10.1126/science.aba8311
  14. Cavani F., Trifirò F., Vaccari A. Hydrotalcite-type Anionic Clays: Preparation, Properties and Applications // Catal. Today. 1991. V. 11. P. 173–301. https://doi.org/10.1016/0920-5861(91)80068-K
  15. He Z., Que W. Molybdenum disulfide nanomaterials: Structures, Properties, Synthesis and Recent Progress on Hydrogen Evolution Reaction // Appl. Mater. Today. 2016. V. 3. P. 23–56. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2016.02.001
  16. Tedstone A.A., Lewis D.J., O’Brien P. Synthesis, Properties and Applications of Transition Metal-Doped Layered Transition Metal Dichalcogenides // Chem. Mater. 2016. V. 28. P. 1965–1974. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b00430
  17. Mikhlin Y.L., Likhatski M.N., Bayukov O.A., Knyazev Y.V., Velikanov D.A., Tomashevich Y.V., Romanchenko A.S., Vorobyev S.A., Volochaev M.V., Meira D.M. Valleriite, a Natural Two-Dimensional Composite: X-ray Absorption, Photoelectron, and Mössbauer Spectroscopy, and Magnetic Characterization // ACS Omega. 2021. V. 6. P. 7533–7543. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c06052
  18. Mikhlin Y., Likhatski M., Borisov R., Karpov D., Vorobyev S. Metal Chalcogenide–Hydroxide Hybrids as an Emerging Family of Two-Dimensional Heterolayered Materials: An Early Review // Materials. 2023. V. 16. P. 6381. https://doi.org/10.3390/ma16196381
  19. Evans H.T., Allmann R. The Crystal Structure and Crystal Chemistry of Valleriite // Z. Flir Krist. 1968. V. 127. P. 73–93. https://doi.org/10.1524/zkri.1968.127.16.73
  20. Nickel E.H., Hudson D.R. The Replacement of Chrome Spinel by Chromian Valleriite in Sulphide-Bearing Ultramafic Rocks in Western Australia// Contrib. Mineral. Petrol. 1976. V. 55. P. 265–277. https://doi.org/10.1007/BF00371337
  21. Jambor J.L. Coalingite from the Muskox Intrusion, Northwest Territories // Am. Mineral. 1969. V. 54. P. 437–447.
  22. Pekov I.V., Yapaskurt, V.O., Polekhovsky Y.S., Vigasina M.F., Siidra O.I. Ekplexite (Nb,Mo)S2∙(Mg1−xAlx)(OH)2+x, Kaskasite (Mo,Nb)S2∙(Mg1−xAlx)(OH)2+x and Manganokaskasite (Mo,Nb)S2∙(Mn1−xAlx)(OH)2+x, Three New Valleriite-Group Mineral Species From the Khibiny Alkaline Complex, Kola Peninsula, Russia // Mineral. Mag. 2014. V. 78. P. 663–679. https://doi.org/10.1180/minmag.2014.078.3.14
  23. Soboleva S.V., Evstigneeva T.E., Boeva N.M., Bortnikov N.S. Crystal Structure of Yushkinite [(Mg0.60Al0.30V0.10)Σ1.0(OH)2][V0.875S2]: An Example of a Commensurate Combination of Brucite and Sulfide Layers // Dokl. Earth Sci. 2020. V. 491. P. 210–213. https://doi.org/10.1134/S1028334X20040182
  24. Organova N.I., Drits V.A., Dmitrik A.L. Structural Study ofT. Part I. The Isometric Variety // Soviet Phys. Crystallogr. 1973. V. 17. P. 667–671.
  25. Mikhlin Y., Likhatski M., Romanchenko A., Vorobyev S., Tomashevich Y., Fetisova O., Bayukov O., Knyazev Y., Nemtsev I., Karasev S., Karacharov A., Borisov R. Valleriitecontaining ore From Kingash Deposit (Siberia, Russia): Mössbauer and X-ray Photoelectron Spectroscopy Characterization, Thermal and Interfacial Properties // J. Sib. Fed. Univ. Chem. 2022. V. 15. P. 303–317. http://dx.doi.org/10.17516/1998-2836-0294
  26. Harris D.C., Vaughan D.J. Two Fibrous Iron Sulfides and Valleriite from Cupros, With New Data on Valleriite // Am. Mineral. 1972. V. 57. P. 1037–1053.
  27. Iishi K., Kato T., Takeno S. Syntheses of Valleriite // Am. Mineral. 1970. V. 55. P. 2107–2110.
  28. Takeno S., Moh G.H. Syntheses of Selenian Valleriite // Mineral. Petrol. 1994. V. 50. P. 209–218. https://doi.org/10.1007/BF01164606
  29. Hughes A.E., Kakos G.A., Turney T.W., Williams T.B. Synthesis and Structure of Valleriite, a Layered Metal Hydroxide/Sulfide Composite // J. Solid State Chem. 1993. V. 104. P. 422–436. https://doi.org/10.1006/jssc.1993.1178
  30. Chistyakova N.I., Gubaidulina T.V., Rusakov V.S. Mössbauer Investigations of Natural and Synthetic Tochilinite and Valleriite // Czech. J. Phys. 2006. V. 56. Р. E123–E131.
  31. Gubaidulina T.V., Chistyakova N.I., Rusakov V.S. Mössbauer Study of Layered Iron Hydroxysulfides: Tochilinite and Valleriite // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2007. V. 71. P. 1269–1272. https://doi.org/10.3103/S106287380709016X
  32. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Gubaidulina T.V., Gapochka A.M., Bychkov A.Y. Mössbauer Investigations of Synthetic Valleriite // Hyperfine Interact. 2012. V. 208. P. 99–104. https://doi.org/10.1007/s10751-011-0474-6
  33. Mikhlin Y.L., Borisov R.V., Vorobyev S.A., Tomashevich Y.V., Romanchenko A.S., Likhatski M.N., Karacharov A.A., Bayukov O.A., Knyazev Y.V., Velikanov D.A., Zharkov S.M., Krylov A.S., Krylova S.N., Nemtsev I.V. Synthesis and Characterization of Nanoscale Composite Particles Formed by 2D Layers of Cu–Fe Sulfide and Mg-Based Hydroxide // J. Mater. Chem. A. 2022. V. 10. P. 9621–9634. https://doi.org/10.1039/D2TA00877G
  34. Mikhlin Y.L., Borisov R.V, Likhatski M.N., Bajukov O.A., Knyazev Y.V., Zharkov S.M., Vorobyev S.A., Tomashevich Y.V., Ivaneeva A.D., Karacharov A.A., Karpov D.V., Velikanov D.A., Rautskii M.V., Smolyakov D.A., Tarasov A.S. Facile Synthesis and Selected Characteristics of Two-Dimensional Material Composed of Iron Sulfide and Magnesium-Based Hydroxide Layers (Tochilinite) // New J. Chem. 2023. V. 47. P. 11869–11881. https://doi.org/10.1039/D3NJ00758H
  35. Likhatski M.N., Borisov R.V., Fetisova O.Yu., Ivaneeva A.D., Karpov D.V., Tomashevich Ye.V., Karacharov A.A., Vorobyev S.A., Mazurova E.V., Mikhlin Yu.L. Specificity of Thermal Stability and Reactivity of Two-Dimensional Layered Cu-Fe Sulfide – Mg-Based Hydroxide Compounds (Valleriites) // ACS Omega. 2023. V. 8. № 39. P. 36109–36117. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04274
  36. Карачаров А.А., Лихацкий М.Н., Борисов Р.В., Томашевич Е.В., Воробьёв, С.А. Жарков С.М. Модификация поверхности синтетического валлериита наночастицами золота: роль специфической адсорбции и дзета-потенциала // Коллоидный журн. 2024. Т. 86. № 1. С. 40–51.
  37. Karacharov A.A., Borisov R.V., Mikhlin Y.L., Likhatski M.N., Teremova M.I., Gurevich Y.L. The Study of Bacterial Leaching of Synthetic Valleriite-Containing Materials // J. Sib. Fed. Univ. Chem. 2023. V. 16. P. 300–311
  38. McCollom T.M., Hoehler T., Fike D.A., Houghton J.L., Bell A., Klein F., Moskowitz B., Solheid P. Formation of Mixed-Layer Sulfide-Hydroxide Minerals from the Tochilinite-Valleriite Group During Experimental Serpentinization of Olivine // Am. Mineral. 2024. V. 109. № 1. P. 61–72. https://doi.org/10.2138/am-2022-8625
  39. Bolney R., Grosch M., Winkler M., van Slageren J., Weigand W., Robl C. Facile Synthesis and Characterization of Pure Tochilinite-like Materials from Nanoparticulate FeS // Z. Für Anorg. Allg. Chem. 2022. V. 648. Р.e202200219. https://doi.org/10.1002/zaac.202200219
  40. Zhou X., Wang L., Fan X., Wilfong B., Liou S.C., Wang Y., Zheng H., Feng Z., Wang C., Rodriguez E.E. Isotope Effect Between H2O and D2O in Hydrothermal Synthesis // Chem. Mater. 2020. V. 32. P. 769–775. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b04121
  41. Meng X., Jing X., Cheng J., Tang H., Chen X., Zhou X., Li L. Facile Phase Control of Solution-Processed Copper Iron Sulfide Nanocrystals for a Low-Cost Self-Powered NIR Photodetector with Fast Response // ACS App. Nano Mater. 2024. V. 7. № 7. P. 8175–8185. https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00709
  42. Борисов Р.В., Белоусов О.В., Лихацкий М.Н., Жижаев А.М., Кирик С.Д. Гидротермальный синтез наноразмерных частиц Ir и Ir-Pd на углеродных нанотрубках // Изв. Академии наук. Сер. хим. 2022. Т. 71. № 6. С. 1164–1172.
  43. Борисов Р.В., Белоусов О.В., Жижаев А.М., Кирик С.Д., Михлин Ю.Л. Характеристики наночастиц металлического иридия, синтезированных в гидротермальных условиях // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 2. С.225–232. https://doi.org/10.31857/S0002337X22020038
  44. Zhang J., Li T., Li B., Zhang S., Dou Y., Yuan Q., Wu Yu., Han J. Erdite NaFeS2 as a New Anode Material for Lithium-Ion Batteries // ACS Sustain. Chem. Eng. 2022. V. 10. № 32. P.10666–10674. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c02806
  45. Balaji K.R., Hardian R., Kumar V.D., Viswanatha R., Kumar S., Kumar S., Singh A., Santosh M.S., Szekely G. Composite Nanofiltration Membrane Comprising One-Dimensional Erdite, Two-Dimensional Reduced Graphene Oxide, and Silkworm Pupae Binder // Mater. Today Chem. 2021. V. 22. P. 100602. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100602.
  46. Mascolo G., Marino O. A New Synthesis and Characterization of Magnesium-Aluminium Hydroxides // Mineral Mag. 1980. V. 43. P. 619–621. https://doi.org/10.1180/minmag.1980.043.329.09
  47. Агафонов А.В., Шибаева В.Д., Краев А.С., Сироткин Н.А., Титов В.А., Хлюстова А.В. Влияние метода синтеза слоистых двойных гидроксидов Ni–Al на их диэлектрические свойства // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 1. С. 4–9. https://doi.org/10.31857/S0044457X22600967
  48. Агафонов А.В., Сироткин Н.А., Титов В.А., Хлюстова А.В. Плазменно-растворный синтез слоистых двойных гидроксидов Zn-Al // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 11. С. 1177–1183. https://doi.org/10.31857/S0002337X2211001X

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Fragments of X-ray diffractograms of some samples (Table 1): a -1; b -2; c -5; d -7: - heikokite Cu4Fe5S8 (PDF #71-0367), ▼- wallerite CuFeS2-1. 53[(Mg,Al)(OH)2] (PDF #29-0554), ◊ - erdite NaFeS2-2H2O (PDF #33-1254), ○ - Mg6Al2(OH)18-4.5H2O (PDF #35-0965), - chalcopyrite CuFeS2 (PDF #83-0983).

Download (34KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Particle size distribution from laser diffraction results for samples (Table 1) with different hydrothermal treatment times.

Download (13KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM image and elemental distribution map of sample 1 (Table 1).

Download (26KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. SEM image and element distribution map of sample 6 (Table 1).

Download (41KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. SEM images at different magnifications, sample 6.

Download (53KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. XRD spectra of samples with different time of hydrothermal treatment (Table 1). 1): a - overview; b, c - high resolution for Fe2p and S2p lines; ◊ - hematite Fe2O3 (PDF #89-0599), - oryquite CuFeS2-H2O (PDF #37-0413), ● - chalcopyrite CuFeS2 (PDF #83-0983), ▼ - walleriite CuFeS2-1.53[(Mg,Al)(OH)2] (PDF #29-0554).

Download (53KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Fragments of X-ray diffractograms: a - initial chalcopyrite, b - product of its hydrothermal treatment in sodium sulfide medium in the presence of Mg and Al hydroxides.

Download (19KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. SEM-image and distribution map of elements of sample 2 (Table 3)

Download (34KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».