Развитие и применение методов моделирования рентгеновских дифракционных картин для структурной диагностики порошковых наноматериалов
Диссертация
Исследован генезис фазового состава и наноструктуры образцов оксида железа, полученных в виде псевдоморфозы окислением исходного гидрата оксалата железа Fe2C204−2H20 на воздухе при различных температурах. Впервые показано, что образованию стабильной фазы а-БегОз предшествует последовательное образование двух метастабильных фаз — ферригидрита (температуры прокаливания -150 — 250°С) и протогематита… Читать ещё >
Список литературы
- Debye Р. Zerstreung von Rontgenstrahlen // Ann. Physik. -1915. 351, N 6.
- Proffen Т.Н., Neder R.B. DISCUS: a program for diffuse scattering and defect-structure simulation // J. Appl. Cryst. 1997. — 30, N 2. — P. 171.
- Vogel W., Bradley J., Vollmer О., Abraham I. Transition from Five-Fold Symmetric to Twinned FCC Gold Particles by Thermally Induced Growth // J. Phys. Chem. B. 1998. -102,N52.-P. 10 853.
- Hall B.D. Debye function analysis of structure in diffraction from nanometer-sized particles // J. Appl. Phys. 2000. — 87, N 4. — P. 1666.
- Cervellino A., Giannini C., Guagliardi A. Determination of nanoparticle structure type, size and strain distribution from X-ray data for monatomic f.c.c.-derived non-crystallographic nanoclusters // J. Appl. Cryst. 2003. — 36. — P. 1148.
- Scherrer P. Bestimmung der Grosse und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen //Nach. Gesell. Wissen. Gottingen. 1918. — 2. — P. 98.
- Guinier A. X-ray Diffraction in Crystals, Imperfect Crystals, and Amorphous Bodies -San Francisco: W. H. Freeman and Company, 1963. 378 p.
- Иверонова В.И., Ревкевич Г. П. Теория рассеяния рентгеновских лучей М.: Изд-во Моск. ун-та, 1972. — 247 с.
- Williamson G.K., Hall W.H. X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram // Acta Metall. 1953. — 1. — P. 22.
- Warren B.E., Averbach B.L. The Separation of Cold-Work Distortion and Particle Size Broadening in X-Ray Patterns // J. Appl. Phys. 1952. — 23. — P. 497.
- Young R.A. The Rietveld Method Oxford: Oxford University Press, 1993. — 523 p.
- Leoni M. Diffraction analysis of layer disorder // Z. Kristallogr. 2008. — 223, N 9. — P. 561.
- Plancon A. Modelling X-ray diffraction by lamellar structures composed of electrically charged layers // J. Appl. Cryst. 2003. — 36. — P. 146.
- Drits V.A., Tchoubar C. X-ray Diffraction by Disordered Lamellar Structures Berlin Heidelberg: Springer, 1990. — 371 p.
- Cherepanova S.V., Tsybulya S.V. Simulation of x-ray powder diffraction patterns for low-ordered materials // J. Molec. Catalysis A: Chemical. 2000. — 158. — P. 263.
- Шефер К.И., Яценко Д. А., Цыбуля C.B., Мороз Э. М., Герасимов Е. Ю. Структурные особенности высокодисперсного псевдобемита, полученного золь-гель методом // Журн. структ. хим. 2010. — 51, № 2. — С. 337−341.
- James R.W. The Optical Principles Of The Diffraction Of X Rays London: G. Bell And Sons Limited, 1948. — 664 p.
- Warren B.E. X-ray diffraction New York: Dover Publications, 1969. — 381 p.
- Мороз Э.М. Рентгенографическая структурная диагностика наноматериалов // Усп. хим. 2011. — 80, № 4. — С. 315 -334.
- Grigson C.W.B., Barton Е. The development of the face-centred cubic interference functions as crystals grow // Br. J. Appl. Phys. 1967. — 18, N 2. — P. 175.
- Pierce W.C. Higher Order Effects in the Diffraction of X-rays by Liquids // Phys. Rev. -1931.-38,N8.-P. 1413.
- Warren B.E. X-Ray Determination of the Structure of Glass // J. Am. Ceram. Soc. 1933. — 219, N 1. — P. 249.
- Germer L.H., White A.H. Electron Diffraction Studies of Thin Films. II. Anomalous Powder Patterns Produced by Small Crystals // Phys. Rev. 1941. — 60, N 6. — P. 447.
- Tiensuu V.H., Ergun S., Alexander L.E. X-Ray Diffraction from Small Crystallites // J. Appl. Cryst. 1964. — 35, N 6. — P. 1718.
- Tettenhorst R.T., Corbato C.E. Comparison of experimental and calculated x-ray powder diffraction data for boehmite // Clays Clay Miner. 1988. — 36, N 2. — P. 181.
- Oddershede J. X-ray characterisation of nanostructured materials Denmark: Department of Chemistry, Technical University of Denmark, 2007. — 193 p.
- Zhu X., Birringer R., Herr U., Gleite H. X-ray diffraction studies of the structure of nanometer-sized crystalline materials // Phys. Rev. B. 1987. — 35, N 17. — P. 9085.
- Hall B.D., Flueli M., Monot R., Borel J.P. Electron diffraction on unsupported ultrafine silver particles // Zeit. Phys. D. 1989. — 12, N 1−4. — P. 97.
- Hall B.D., Ugarte D., Reinhard D., Monot R. Calculations of the dynamic Debye-Scherrer diffraction patterns for small metal particles // J. Chem. Phys. 1995. — 103, N 7.- P. 2384.
- Kazakov A.V., Shpiro E.S., Voskoboinikov T.V. Application of Debye Function Analysis to Particle Size and Shape Determination in Ir/Si02 Catalysts // J. Phys. Chem.- 1995. 99, N 20. — P. 8323.
- Pinna N. X-Ray Diffraction from Nanocrystals // Progr. Colloid Polym. Sci. 2005. -130.- P. 29.
- Kaszkur Z., Mierzwa В., Pielaszek J. Ab initio test of the Warren-Averbach analysis on model palladium nanocrystals // J. Appl. Cryst. 2005. — 38, N 2. — P. 266.
- Sutton A.P., Chen J. Long-range Finnis-Sinclair potentials // Phil. Mag. Lett. 1990. -31, N3.-P. 139.
- Mierzwa В., Kaszkur Z. CLUSTER the building and simulation program with graphical interface. Электронный ресурс.: програм. обеспечение. URL: http://www.acn.waw.pl/kaszkur/ZKhomepage.html (дата обращения: 23.07.2013).
- Naicker Р.К., Cummings Р.Т., Zhang H., Banfield J.F. Characterization of Titanium Dioxide Nanoparticles Using Molecular Dynamics Simulations // J. Phys. Chem. B. -2005. 109, N 32. — P. 15 243.
- Palosz В., Stel’mak S., Grzanka E., Gierlotka S., Pielaszek R., Bismayer U., Werner S., Palosz W. High pressure x-ray diffraction studies on nanocrystalline materials // J. Phys.: Condens. Matter. 2004. — 16 -P. S353.
- Дриц В. А., Сахаров Б. А. Рентгеноструктурный анализ смешаннослойных минералов М.: Наука, 1976. — 252 с.
- Cherepanova S.V., Tsybulya S.V. Simulation of X-ray powder diffraction patterns for one-dimensionally disordered crystals // Mat. Sci. Forum. 2004. — 443−444. — P. 87.
- Bondars В., Gierlotka S., Palosz B. Program for Simulation of Diffraction Pattern of Small Particles // Mat. Sci. Forum. 1993. — 133 — 136. — P. 301.
- Makinson J.D., Lee J.S., Magner S.H., De Angelis R.J., Weins W.N., Hieronymus A.S. X-Ray Diffraction Signatures of Defects in Nanocrystalline Materials // Adv. X-Ray Anal. 2000. — 42. — P. 407.
- Ворох A.C., Ремпель A.A. Атомная структура наночастиц сульфида кадмия // Физ. тверд, тела. 2007. — 49, № 1. — С. 143−148.
- Oddershede J., Christiansen T.L., Stahl К. Modelling the X-ray powder diffraction of nitrogen-expanded austenite using the Debye formula // J. Appl. Cryst. 2008. — 41, N 3. — P. 537.
- Oddershede J., Stahl К. Bulk characterization of multiwall carbon nanotubes // Z. Kristallogr. 2006. — 23, N 325−330.
- Oddershede J., Nielsen K., Stahl K. Using X-ray powder diffraction and principal component analysis to determine structural properties for bulk samples of multiwall carbon nanotubes // Z. Kristallogr. 2007. — 222, N 3−4. — P. 186.
- Bazin D., Guczi L., Lynch J. Anomalous wide angle X-ray scattering (AWAXS) and heterogeneous catalysts // Appl. Cat. A: Gen. 2002. — 226, N 1−2. — P. 87.
- Shmakov A.N., Moroz E.M., Chuvilin A.L. Structure and Phase Composition Study of EuroPt-1 Catalyst by Differencial Anomalous Scattering Nuclear Instruments & Methods // Phys. Res. A. 1998. — 405 -P. 470.
- Юрьев Г. С., Долматов В. Ю. Рентгеноструктурный анализ детонационных наноалмазов // Сверхтвер. матер. 2010. — 5. — С. 29−50.
- Svergun D.I., Petoukhov M.V., Koch M.H.J. Determination of Domain Structure of Proteins from X-Ray Solution Scattering // Biophys. J. 2001. — 80, N 6. — P. 2946.
- Elazzouzi-Hafraoui S., Nishiyama Y., Putaux J.-L., Heux L., Dubreuil F., Rochas C. The Shape and Size Distribution of Crystalline Nanoparticles Prepared by Acid Hydrolysis of Native Cellulose // Biomacromolecules. 2008. — 9. — P. 57.
- Алешина JI.A., Мелех H.B., Фофанов А. Д. Исследования структуры целлюлоз и лигнинов различного происхождения // Хим. растит, сырья. 2005. — 3. — С. 31−59.
- Кардаш Т.Ю. Строение и физико-химические свойства многокомпонентных катализаторов на основе полигонно-сетчатых оксидов молибдена. Дисс. канд. хим. наук. Новосибирск, 2010. 150 с.
- Thygesen A., Oddershede J., Lilholt Н., Thomsen А.В., Stahl К. On the determination of crystallinity and cellulose content in plant fibres // Cellulose. 2005. — 12, N 6. — P. 563.
- Hall B.D., Monot R. Calculating the Debye-Scherrer diffraction pattern for large clusters // Сотр. in Phys. -1991. 5, N 4. — P. 414.
- Marciniak H., Gierlotka S., Palosz B. Ab Initio Calculations of Diffraction Patterns of Submicron Powders // Mat. Sci. Forum. 1996. — 228−231. — P. 39.
- Graver R.F., McKenzie D.R. An efficient ab initio calculation of powder diffraction intensity using Debye’s equation // Acta Cryst. A. 2001. — A57, N 6. — P. 739.
- Cervellino A., Giannini C., Guagliardi A. On the efficient evaluation of Fourier patterns for nanoparticles and clusters // J. Comput. Chem. 2006. — 27, N 9. — P. 995.
- Яценко Д.А., Цыбуля C.B. DIANNA (Diffraction Analysis of Nanopowders) -программное обеспечение для структурного анализа ультрадисперсных систем рентгенографическими методами // Изв. РАН. Сер. Физ. 2012. — 76, № 3. — С. 472 475.
- Thomas N.W. A new approach to calculating powder diffraction patterns based on the Debye scattering equation // Acta Cryst. A. 2010. — A66, N 1. — P. 64.
- Cervellino A., Gianniniand C., Guagliardi A. DEBUSSY: a Debye user system for nanocrystalline materials // J. Appl. Cryst. 2010. — 43. — P. 1543.
- Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing England: Cambridge University Press, 1992. 994 p.
- Vogel W. Size Contraction in Pt/C and PtRu/C Commercial E-TEK Electrocatalysts: An in Situ X-ray Diffraction Study// J. Phys. Chem. C. 2008. — 112 N35. — P. 13 475.
- Levenberg K. A Method for the Solution of Certain Non-Linear Problems in Least Squares // Quart. Appl. Math. 1944. — 2. — P. 164.
- Marquardt D.W. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // SIAM J. Appl. Math. 1963. — 11, N 2. — P. 431.
- Welberry T.R., Butler B.D. Interpretation of diffuse X-ray scattering via models of disorder // J. Appl. Cryst. 1994. — 27, N 3. — P. 205.
- McGreevy R.L., Pusztai L. Reverse Monte Carlo Simulation: A New Technique for the Determination of Disordered Structures // Molec. Sim. 1988. — 1, N 6. — P. 359.
- Metropolis N., Rosenbluth A.W., Rosenbluth M.N., Teller A.H., Teller E. Equation of State Calculations by Fast Computing Machines // J. Chem. Phys. 1953. — 21, N 6. — P. 1087.
- Dervichian D.G., Fournet G., Guinier A., Ponder E. Structure submicroscopique des globules rouges contenant des hemoglobines anormales // Rev. Hemat. 1952. — 7, N 4 -P. 567.
- Guinier A., Fournet G. Small Angle Scattering of X-Rays New York: Wiley, 1955. -268 p.
- Свергун Д.И., Фейгин JI.A. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние -М.: Наука. Гл. ред. физ. -мат. лит, 1986. 280 с.
- Hosemann R. Die parakristalline Feinstruktur naturlicher und synthetischer Eiweisse. Visuelles Naherungsverfahren zur Bestimmung der Schwankungstensoren von Gitterzellen // Acta Cryst. 1951. — 4. — P. 520.
- Hosemann R., Hindeleh A.M. Structure of crystalline and paracrystalline condensed matter // J. Macromol. Sei. Phys. B. 1995. — 34, N 4. — P. 327−356.
- Stein A. Sphere templating methods for periodic porous solids // Micropor. Mesopor. Mater. 2001. — 4415. — P. 227.
- Misran H., Yarmo M.A., Ramesh S. Synthesis and characterization of silica nanospheres using nonsurfactant template // Ceram. Int. 2013. — 39, N 2. — P. 931.
- Velev O.D., Lenhoff A.M. Colloidal crystals as templates for porous materials // Curr. Opin. Colloid. Interface S. 2000. — 5, N 1−2. — P. 56.
- Meynen V., Cool P., Vansant E.F. Verified syntheses of mesoporous materials // Micropor. Mesopor. Mater. 2009. — 125, N 3. — P. 170.
- Yu R., Zhen M., Peter G. B. Ordered mesoporous metal oxides: synthesis and applications // Chem. Soc. Rev. 2012 N14.
- Ye L., Xie S., Yue В., Qian L., Feng S., Tsang S., Li Y., He H. Crystalline three-dimensional cubic mesoporous niobium oxide // CrystEngComm. 2010. — 12. — P. 344.
- Blanton T.N., Zdzieszynski S., Nicholas M., Misture S. An in situ high-temperature X-ray diffraction study of phase transformations in silver behenate // Powder Diffraction. -2005. 20 N2. — P. 94.
- Putra E.G.R., Ikram A., Bharoto, Santoso E. Wavelength calibration and instrumental resolution of 36m SANS BATAN (SMARTer) using silver behenate powder // JNRT.2008.-5,N2.-P. 57.
- Шарафутдинов M.P. Получение и исследование методами in situ дифрактометрии синхротронного излучения упорядоченных структур из наночастиц серебра при термическом разложении его карбоксилатов. Дисс. канд. хим. наук. Новосибирск, 2009. 105 с.
- Яценко Д.А., Цыбуля С. В. Метод моделирования дифракционных картин для наноразмерных кристаллических систем // Вестн. НГУ Сер. Физ. — 2008. 3, № 4. — С. 47−51.
- Leopardi P. A partition of the unit sphere into regions of equal area and small diameter // Electron. Trans. Numer. Anal. 2006. — 25. — P. 309.
- Скрышевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей М.: Высшая школа, 1971. -256 с.
- Мороз Э.М. Рентгенографическое исследование носителей и нанесенных металлических катализаторов // Усп. хим. 1992. — 61, № 2. — С. 356.
- Moroz Е.М., Zyuzin D.A. The use of RDF analysis in the study of powder samples: Zirconia complex supported by clay and pseudoboehmite // Z. Kristallogr. Suppl. 2007. — 26. — P. 273.
- Пахарукова В.П., Мороз Э. М., Зюзин Д. А. Построение модельных кривых радиального распределения электронной плотности с учетом особенностей рентгенографического эксперимента // Журн. структ. хим. 2010. — 51, № 2. — С. 288.
- Цыбуля С.В., Черепанова С. В., Соловьева Л. П. Система программ ПОЛИКРИСТАЛЛ для IBM/PC// Журн. структ. хим. 1996. — 37, № 2. — С. 379−382.
- Kraus W., Nolze G. POWDER CELL a program for the representation and manipulation of crystal structures and calculation of the resulting X-ray powder patterns // J. Appl. Cryst. — 1996. — 29. — P. 301.
- Yvon K., Jeitschko W., Parthe E. LAZY PULVERIX, a computer program, for calculating X-ray and neutron diffraction powder patterns // J. Appl. Cryst. 1977. — 10. -P. 73.
- Inorganic Crystal Structure Database, ICSD. Release 2008.
- Цыбуля С.В. Рентгеноструктурный анализ нанокристаллов: развитие методов и структура метастабильных состояний в оксидах металлов нестехиометрического состава. Дисс. д.ф.-м.н. Новосибирск, 2004. 337 с.
- Nishiyama Y., Sugiyama J., Chanzy H., Langan P. Crystal Structure and Hydrogen Bonding System in Cellulose la from Synchrotron X-ray and Neutron Fiber Diffraction // J. Am. Chem. Soc. 2003. — 125 N47. — P. 14 300.
- Cambridge Crystallographic Data Centre.
- Липпенс Б.К., Стеггерда Й. Й. Строение и свойства адсорбентов и катализаторов -М.: Мир, 1973. 648 с.
- Шефер К.И., Черепанова С. В., Мороз Э. М., Герасимов Е. Ю., Цыбуля С. В. Особенности реальной структуры псевдобемитов: нарушения структуры и упаковки слоев, связанные с кристаллизационной водой // Журн. структ. хим. -2010.-51, № 1.-С. 137−147.
- Bokhimi X., Sanchez-Valente J., Pedraza F. Crystallization of sol-gel boehmite via hydrothermal annealing // J. Solid State Chem. 2002. — 166, N 1. — P. 182.
- Tettenhorst R., Hofmann D.A. Crystal Chemistry of Boehmite // Clays Clay Miner. -1980.-28,N5.-P. 373.
- Moroz E.M., Shefer K.I., Zyuzin D.A., Ivanova A.S., Kulko E.V., Goidin V.V., Molchanov V.V. Local structure of pseudoboehmites // React. Kinet. Catal. Lett. 2006. -87, N 2. — P. 367.
- Водяницкий Ю.Н. Соединения железа и их роль в охране почв М.: ГНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева Россельхозакадемии, 2010. — 154 с.
- Dyer J.A., Trivedi P., Sanders S.J., Scrivner N.C., Sparks D.L. Treatment of zinc-contaminated water using a multistage ferrihydrite sorption system // J. Coll. Interf. Sci. -2004. 270, N 1. — P. 66.
- Cornell R.M., Schwertmann U. The iron oxides: Structure, properties, reactions, occurrence and uses Germany, Weinheim: Wiley-VCH, 1996. — 703 p.
- Griffiths D.W.L., Hallam H.E., Thomas W.J. Infrared study of adsorption and oxidation of ammonia on ferric oxide // J. Catal. 1970. — 17, N 1. — P. 18.
- Blesa M.A., Matijevic E. Phase transformations of iron oxides, oxohydroxides, and hydrous oxides in aqueous media // Adv. Coll. Interf. Sci. 1989. — 29. — P. 173.
- Powder Diffraction File, PDF-2. Release 2009.
- Fleischer M., Chao G.Y., Kato A. New mineral names // Amer. Mineral. 1975. — 60. — P. 485.
- Russel J.D. Infrared spectroscopy of the presence of structural hydroxyl groups // Clay Miner. 1979. — 14.-P. 109.
- Towe K.M., Bradley W.F. Mineralogical constitution of colloidal «hydrous ferric oxides» // J. Coll. Interf. Sci. 1967. — 24, N 3. — P. 384.
- Murphy P.J., Posner A.M., Quirk J.P. Characterization of hydrolyzed ferric ion solutions a comparison of the effects of various anions on the solutions // J. Coll. Interf. Sci. -1976.-56,N2.-P. 312.
- Schwertmann U., Friedl J., Stanjek H. From Fe (III) Ions to Ferrihydrite and then to Hematite // J. Coll. Interf. Sci. 1999. — 209. — P. 215.
- Drits V.A., Sakharov B.A., Salyn A.L., Manceau A. Structural model for ferrihydrite // Clay Miner. 1993. — 28. — P. 185.
- Jansen E., Kyek A., Schafer W., Schwertmann U. The structure of six-line ferrihydrite // Appl. Phys. A. 2002. — 74. — P. S1004.
- Janney D.E., Cowley J.M., Buseck P.R. tructure of synthetic 2-line ferrihydrite by electron nanodiffraction // Amer. Mineral. 2000. — 85. — P. 1180.
- Michel F.M., Ehm L., Antao S.M., Lee P.L., Chupas P.J., Liu G., Strongin D.R., Schoonen M.A.A., Phillips B.L., Parise J.B. The structure of ferrihydrite, a nanocrystalline material // Science. 2007. — 316. — P. 1726.
- Harrison P.M., Fischbach F.A., Hoy T.G., Haggis G.H. Ferric oxyhydroxide core of ferritin //Nature. 1967. — 216. — P. 1188.
- Eggleton R.A., Fitzpatrick R.W. Hisingerite: ferric kaolin with curved morphology // Clays Clay Miner. 1988. — 36. — P. 111.
- Бургина Е.Б., Кустова Г. Н., Цыбуля C.B., Крюкова Г. Н., Литвак Г. С., Исупова Л. А., Садыков В. А. Особенности строения метастабильной модификации оксида железа(Ш) // Журн. структ. хим. 2000. — 41, № 3. — С. 489−497.
- Svaneborg С., Pedersen J.S. A formalism for scattering of complex composite structures. II. Distributed reference points // J. Chem. Phys. 2012. — 136, N 15. P. 136−149.
- Kohlbrecher J., Bressler I. A program for fitting elementary structure models of small angle scattering data. Электронный ресурс.: програм. обеспечение. URL: http://kur.web.psi.ch/sansl/SANSSoft/sasfit.html (дата обращения: 23.07.2013).
- Solovyov L.A., Kirik S.D., Shmakov A.N., Romannikov V.N. A continuous electron density approach in Rietveld analysis for structure investigations of the mesoporous silicate materials // Adv. X Ray Anal. -2001.-44 -P. 110.
- Solovyov L.A., Kirik S.D., Shmakov A.N., Romannikov V.N. X-ray structural modeling of silicate mesoporous mesophase material // Micropor. Mesopor. Mater. 2001. — 44. — P. 17.
- Mel’gunov M.S., Mel’gunova E.A., Shmakov A.N., Zaikovskii V.I. Textural and structural properties of Al-SBA-15 directly synthesized at 2.9 < pH < 3.3 region // Stud. Surf. Sci. Catal. 2003. — 146,. — P. 543.
- Автор в первую очередь выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. C.B. Цыбуле за поддержку и помощь, оказанную на протяжении работы.
- Кроме того, автор выражает благодарность сотруднику ИХТТМ СО РАН к.х.н. А. А. Матвиенко за синтез серии образцов оксида железа и совместное обсуждение результатов исследования.