Intercalation of organic molecules into layered ceramic oxides

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-01-09
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
89
Series
Abstract
Intercalation is a relatively simple method for preparing inorganic-organic hybrids. The intercalation is based on layered materials that have inorganic blocks separated by interlayer cations. In the intercalation guest specie is inserted into the interlayer region of the host material. This master’s thesis goes through the basics behind the intercalation of simple organic molecules into layered ceramic oxides. The literature review consists of explaining the intercalation specially for layered ceramic oxides including Dion-Jacobson phases, Ruddlesden-Popper phases and titanoniobate. In addition to the intercalation reaction and the structures of the interlayer regions of inorganic-organic hybrids, possible ways to utilize them especially as photocatalysts are discussed. In the experimental part the intercalation of molecules with functional hydroxyl group/s such as diols, phenol, hydroquinone and glycolic acid into titanoniobate were experimented. The purpose was to investigate if the intercalation of these molecules is possible through multistep intercalation. After the intercalation, the structure of the interlayer region of these derivatives and the amount of intercalated molecules were investigated. The intercalation of organic molecules into layered ceramic oxides could combine the properties of inorganic and organic materials. Because layered ceramic oxides have many different properties including photocatalytic, dielectric and optoelectronic properties they provide possibly new interesting applications especially for inorganic-organic hybrids. The intercalation of simple organic molecules like amines and alcohols is relatively simple. The host material is protonated with ion-exchange reaction in which the interlayer cations are exchanged with protons from acid. The protonated form acts as Brønsted acid thus making the intercalation of bases possible. In addition, more complex molecules can be intercalated via multistep intercalation where shorter molecule is first intercalated into the lattice to expand the interlayer distance after that the intercalation of more complex or longer molecules is possible via exchange reaction. In the experimental part of the thesis diols and possibly phenol and hydroquinone were successfully intercalated into titanoniobate, whereas glycolic acid was not clearly intercalating. The biggest problem in the intercalation was the remaining butylammonium from the multistep intercalation in the interlayer region. This did the analysis of the interlayer distance, FTIR spectra and TGA really complicated. However, it was clear that diols affected the interlayer distance of the host material by increasing it. According to the results, longer diols formed a monolayer in the interlayer region and the rest of the intercalated molecules formed a bilayer.

Interkaalaatio on suhteellisen helppo menetelmä valmistaa epäorgaanis-orgaanis hybridien valmistamiseksi. Interkalaatio perustuu kerroksellisiin materiaaleihin, jotka koostuvat epäorgaanisista blokeista ja niitä erottavista välitila kationeista. Interkalaatiossa vieras aine lisätään kerroksellisen isäntä materiaalin välitiloihin. Tämä diplomityö käsittelee yksinkertaisten orgaanisten molekyylien interkalaatiota keraamisiin oksideihin ja perusteita tämän taustalla. Kirjallisuus katsaus koostuu erityisesti interkalaatiosta keraamisiin oksideihin kuten Dion-Jacobson faaseihin, Ruddlesden-Pooper faaseihin ja titanoniobaattiin. Interkalaatio reaktion ja epäorgaanis-orgaanis hybridien välikerrosten rakenteen lisäksi mahdollisia käyttökohteita erityisesti fotokatalyytteinä käsitellään. Työn kokeellisessa osassa molekyylien, joilla on yksi tai useampi funktionaalinen hydroksyyliryhmä, kuten diolit, fenoli, hydrokinoni ja glykoolihappo, interkalaatiota titanoniobaattiin kokeiltiin. Tarkoituksena oli selvittää, voidaanko kyseisiä molekyylejä interkaloida monivaiheisen interkalaation avulla. Interkalaation jälkeen näiden johdannaisten välikerrosten rakennetta ja interkaloitujen molekyylien määrää tutkitaan. Orgaanisten molekyylien interkalaatio kerroksellisiin keraamisiin oksideihin voisi yhdistää epäorgaanisten ja orgaanisten materiaalien ominaisuuksia. Koska kerrokselliset keraamisilla kerroksellisilla oksideilla on monia erilaisia ominaisuuksia kuten fotokatalyyttinen, dielektrinen ja valosähköinen, ne tarjoavat uusia mahdollisia käyttökohteita erityisesti epäorgaanis-orgaanis hybrideinä. Yksinkertaisten orgaanisten molekyylien kuten amiinien ja alkoholien interkalaatio on suhteellisen yksinkertaista. Isäntämateriaali protonoidaan ionivaihto reaktiolla, jossa välikerroksen kationit korvautuvat hapon protoneilla. Protonoitu aine toimii Brønsted happona tehden emästen interkalaation mahdolliseksi. Lisäksi monimutkaisempia molekyyleja voidaan interkaloida käyttäen monivaiheista interkalaatiota, jossa aluksi lyhyempi molekyyli interkaloidaan materiaaliin, jotta välikerros laajentuisi, minkä jälkeen monimutkaisempia tai pidempiä molekyylejä voidaan interkaloida vaihtoreaktion avulla. Työn kokeellisessa osassa dioleja ja mahdollisesti fenoli ja hydrokinoni onnistuttiin interkaloimaan titanoniobaattiin, kun taas glykoli hapon interkalaatio osoittautua mahdottomaksi. Suurin ongelma interkalaatiossa oli monivaiheisen interkalaatio reaktion seurauksena jäävää butyyliammoniumi välikerroksessa. Tämä teki välikerroksen pituuden, FTIR spektrien ja TG analyyseista erittäin hankalaa. Oli kuitenkin selvää, että diolit vaikuttivat välikerroksen pituuteen kasvattaen sitä. Tulosten mukaan pidemmät diolit muodostivat yksittäiskerroksen välikerrokseen ja muut interkaloidut molekyylit kaksoiskerroksen.
Description
Supervisor
Karppinen, Maarit
Thesis advisor
Thomas, Christopher
Keywords
intercalation, inorganic-organic hybrid, ceramic oxide, layered materials, diol
Other note
Citation