Agyagásvány komplexek adszorpciós és interkalációs mechanizmusának vizsgálata kvantumkémiai módszerekkel
Szerző: Táborosi Attila, PhD, a.taborosi@gmail.com Témavezető: Dr. Kurdi Róbert, Dr. Szilágyi Róbert Károly
Munka helyszíne: PE-MK, Nanoszerkezetek és Felületanalitikai Tudományos Műhely
1. Bevezetés
Az agyagásványokkal és a módosított tulajdonságú agyagásványokkal kapcsolatos kutatások száma jelentősen növekedett az elmúlt években. Ez köszönhető annak, hogy az ipar egyre nagyobb érdeklődést mutat ezen anyagok iránt. Az ipari alkalmazhatóság szempontjából fontos szerepet kap a felület reaktivitása, mely függ a mechanokémiai aktiválástól (száraz őrlés), az interkalációtól vagy kicserélődési-interkalációtól, a hőkezeléstől, vagy ezek kombinált használatától. A delaminációs (a rétegek teljes szeparálás) és az exfolációs (a kristály rendezettség megszüntetése) folyamatokkal olyan morfológiai szerkezetet lehet létrehozni, mely az ipar számára hasznos agyagásvány alapú nanokompozitokat jelent. Ezen folyamatok tervezése és optimalizálása többnyire empirikus módszerekkel történik.
Ma már pótolhatatlan segítséget nyújt a számításos kémiai módszerek alkalmazása, mivel a kísérletes laboratóriumi munkák tervezése, a megfelelő reagensek kiválasztása, valamint a lejátszódó adszorpciós és interkalációs mechanizmusok tisztázásában fontos szerepe van ezen módszereknek. A számításos kémiai módszerek alkalmazása hozzájárul a felhasználásnak megfelelő tulajdonságú, módosított-agyagásvány termékek tervezhetőbb előállításához.
2. A kaolinit
A kísérleti munkák során az egyik legegyszerűbb agyagásvány típust, a kaolinitet használják. A kaolinit (1:1) egy Si4+ központú tetraéderes és egy Al3+ központú oktaéderes réteget tartalmaz. A két réteg apikális oxid csoportokon keresztül kapcsolódnak egymáshoz, míg az OT rétegeket az O-réteg belső felületi hidroxid és a T-réteg hidas oxid között kialakult hidrogén-hidak tartják össze (1. ábra).
1. ábra:
3. A modell megalkotása
Az elméleti kémiai módszerek els
megalkotása. Az irodalomban is egyedülálló nagyságú klaszter modellt hoztunk létre a kaolinit kb. 1nm-es darabjára, ami mind az O
pontosan tudjuk vizsgálni a belső
környezete egyezik a kristályos fázisban meghatározottakkal. Továbbá lehet felületi OH-, illetve a hidas és apikális oxid csoportok pozíciójának tanul környezet függvényében. Az OH
követésére, mivel ezek egyfajta szerkezeti indikátorként m következtetni lehet a különböző
4. A legmegfelel ő bb módszer kiválasztása
Az irodalomban sem egyértelm
használni az agyagásványok elméleti szint modellnél különböző teszteléseket végezzünk el
1. ábra: A kaolinit sematikus szerkezete
3. A modell megalkotása
i módszerek első és egyik legfontosabb lépése a megfelel
megalkotása. Az irodalomban is egyedülálló nagyságú klaszter modellt hoztunk létre a kaolinit es darabjára, ami mind az O- és a T-réteg atomjait tartalmazza.
tudjuk vizsgálni a belső OH- csoportok helyzetét és konformációját, mivel azok kémiai környezete egyezik a kristályos fázisban meghatározottakkal. Továbbá lehető
, illetve a hidas és apikális oxid csoportok pozíciójának tanul
környezet függvényében. Az OH- csoportok nagy jelentőséggel bírnak a kísérleti megfigyelések követésére, mivel ezek egyfajta szerkezeti indikátorként működnek, megfigyelésükkel következtetni lehet a különböző rétegen kívüli folyamatokra (2. ábra).
ő bb módszer kiválasztása
értelmű, hogy mely elméleti kémiai módszert érdemes a leginkább használni az agyagásványok elméleti szintű vizsgálatakor, ezért fontos, hogy a megalkotott teszteléseket végezzünk el. Ezen vizsgálatokat mind molekulamechanika, és egyik legfontosabb lépése a megfelelő modell megalkotása. Az irodalomban is egyedülálló nagyságú klaszter modellt hoztunk létre a kaolinit réteg atomjait tartalmazza. Ezzel a modellel csoportok helyzetét és konformációját, mivel azok kémiai környezete egyezik a kristályos fázisban meghatározottakkal. Továbbá lehetőségünk van a belső , illetve a hidas és apikális oxid csoportok pozíciójának tanulmányozására a kémiai séggel bírnak a kísérleti megfigyelések űködnek, megfigyelésükkel
módszert érdemes a leginkább vizsgálatakor, ezért fontos, hogy a megalkotott Ezen vizsgálatokat mind molekulamechanika,
mind fél-empirikus, továbbá kvantumkémiai módszerekkel is szükséges elvégezni. Jelenleg a különböző kvantumkémiai szinten folynak a tesztelések és ezeket tervezzük kib
említett további két módszerre is.
2. ábra:
A 2. ábrán bemutatjuk a jelenleg alkalmazott elméleti kémiai szerkezeti modellt, amit sűrűségfunkciónál módszerekkel, triple
5. A hallgatók bekapcsolódása a kutatásba
A teszteléseket követően, a legmegfelel mellyel a kaolinit lehetséges valóságh
empirikus, továbbá kvantumkémiai módszerekkel is szükséges elvégezni. Jelenleg a kvantumkémiai szinten folynak a tesztelések és ezeket tervezzük kib
említett további két módszerre is.
2. ábra: A kaolinit szerkezeti modellje
A 2. ábrán bemutatjuk a jelenleg alkalmazott elméleti kémiai szerkezeti modellt, amit ségfunkciónál módszerekkel, triple-ζ minőségű báziskészlettel tudunk optimalizálni.
5. A hallgatók bekapcsolódása a kutatásba, a kutatás jöv ő je
a legmegfelelőbb módszer kiválasztása, vagy annak módosítása, mellyel a kaolinit lehetséges valósághű szerkezetei megállapíthatóak.
empirikus, továbbá kvantumkémiai módszerekkel is szükséges elvégezni. Jelenleg a kvantumkémiai szinten folynak a tesztelések és ezeket tervezzük kibővíteni a fent már
A 2. ábrán bemutatjuk a jelenleg alkalmazott elméleti kémiai szerkezeti modellt, amit báziskészlettel tudunk optimalizálni.
bb módszer kiválasztása, vagy annak módosítása, szerkezetei megállapíthatóak. Így a különböző
reagensekkel végzett adszorpciós és interkalációs folyamatok előre jelezhetőek, így a laborban folyó munkák jobban tervezhetőbbek lesznek.
A kutatásba jelenleg már két BSc hallgató bekapcsolódott, akik a molekulamechanika és fél- empirikus módszerek tesztelésében fognak segíteni, de további hallgatók is bekapcsolódhatnak, akik szeretnének megismerkedni az elméleti kémiai modellezéssel, illetve tudásukat bővíteni az agyagásványok tanulmányozásában. A részvétel előfeltétele alapvető kémiai ismeretek (szerves és szervetlen), informatikai készség és elhívatottság.
6. Köszönetnyilvánítás
A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosítószámú „Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutató személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program” című kiemelt projekt keretében zajlott.
