Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/30586
Title: Layered Double Hydroxides (LDH) as versatile nanoreservoirs for application in multi-functional coatings
Other Titles: Hidróxidos Duplos Lamelares (HDL) como nanoreservatórios versáteis para aplicação em revestimentos multifuncionais
Author: Kuznetsova, Alena
Advisor: Tedim, João André da Costa
Zheludkevich, Mikhail Larionovich
Keywords: Layered double hydroxides
X-ray diffraction
Release of active species
Kinetic models of release and adsorption
Multi-functional coatings
Synthesis
Defense Date: 1-Oct-2020
Abstract: The objective of the present work is synthesis and characterization of inorganic nanoreservoirs based on layered double hydroxides (LDH) loaded with active species, namely corrosion inhibitors and pH indicators. The most attractive feature of LDH is the anion-exchange ability. Despite the countless studies that describe the use of LDH for applications in protective coatings for anti-corrosion applications, the study related to immobilization and consequent release of anionic species is somewhat limited. Besides, there is still a lack of systematic studies correlating the structure of nanocontainers with properties (release profiles, triggering conditions) and the corresponding effect in coatings. In this work, several methodologies were used for preparation of LDH. Structure, morphology, colloidal and textural properties of resulting nanocontainers have been characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), dynamic light scattering (DLS), thermogravimetric analysis (TG) and nitrogen adsorption-desorption isotherms. Particular attention has been paid to the release studies of active species immobilized in LDH, determination of triggering conditions, establishment of kinetic models and definition of release mechanisms by UV-Visible spectrophotometry. Additionally, the adsorption of active species in LDH was investigated to understand how the active species are immobilized during the synthesis, as well as for evaluation of its impact on the application of nanoreservoirs in multi-functional coatings. In general, the release of active species is rate-limited by diffusion with possibility of anion-exchange reaction when anionic species are presenting in the environment. However, the release profiles, extent of release and adsorption of active species are strongly dependent on the method of synthesis and on the structure and properties of the active species. In addition, the LDH compositions studied were found to release the active species in response to the presence of anions in solution (e.g. chlorides, hydroxides, carbonates), even when the active species are not intercalated into the LDH galleries, but adsorbed onto the external surface of the particles. Besides, the propensity of LDH to dissolution or reaction under extreme pH conditions, in combination with changes in the surface properties, can play a role in the agglomeration and/or aggregation of the particles, thereby affecting adsorption and release of different species. Taking into account the properties of the materials obtained, it is possible to conclude that several LDH compositions studied in this work are prospecting additives for application in multi-functional coatings. Moreover, the present work can be used as some sort of library of experimental data to support the building and validation of computational models, to aid on the prediction of the uptake and release of active species from LDH.
O objetivo do presente trabalho consistiu na síntese e caracterização de nanoreservatórios inorgânicos baseados em hidróxidos duplos lamelares (HDL) com diferentes espécies ativas imobilizadas, nomeadamente inibidores de corrosão e indicadores de pH. Uma das características mais relevantes associada com o HDL é a sua capacidade de permuta aniónica. Apesar dos inúmeros trabalhos que descrevem a utilização do HDL para aplicações em revestimentos protetores contra a corrosão, o estudo relacionado com a imobilização e consequente libertação das espécies aniónicas é algo limitado. Além disso, não existem estudos sistemáticos na literatura que correlacionem a estrutura dos nanocontentores com as propriedades (perfis e condições de libertação controlada) e o efeito correspondente nos revestimentos. Neste trabalho, várias metodologias foram aplicadas para a preparação dos HDL. A estrutura, morfologia, propriedades coloidais e texturais dos nanocontentores resultantes foram caracterizadas por difração de raios-X (DRX), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrónica de varrimento (SEM), dispersão dinâmica de luz (DLS), análise termogravimétrica (TG) e isotérmicas de adsorção-desadsorção de azoto. Atenção especial foi prestada aos estudos de libertação de diferentes espécies ativas imobilizadas em HDL, nomeadamente as condições experimentais que podem levar à libertação das espécies ativas (ex.: pH, presença de sais), estabelecimento de modelos cinéticos e definição de mecanismos de libertação, recorrendo à espetrofotometria de UV-Visível. Além disso, o processo de adsorção de espécies ativas foi investigado para tentar perceber o que ocorre durante a síntese de diferentes composições de HDL bem como avaliar o impacto na aplicação prática de nanoreservatórios em revestimentos multifuncionais. Os resultados obtidos permitem concluir que, de forma geral, a libertação de espécies ativas é determinada pela difusão, com possibilidade de reação de permuta aniónica, quando espécies aniónicas estão presentes no ambiente. No entanto, os perfis de libertação, extensão da mesma e adsorção de espécies ativas em HDL dependem do método de síntese, bem como da estrutura e propriedades das espécies ativas. Igualmente relevante, é que as diferentes composições de HDL apresentam capacidade de libertar as espécies ativas imobilizadas em resposta à presença de aniões na solução (ex.: cloretos, hidróxidos, carbonatos), mesmo quando não intercaladas nas galerias do HDL, encontrando-se apenas adsorvidas na superfície externa do HDL. Além disso, a tendência dos materiais de HDL à dissolução ou reação sob condições extremas de pH, em combinação com alterações nas propriedades da superfície, tem influência no maior ou menor grau de aglomeração e/ou agregação das partículas, podendo afetar a adsorção e libertação das diferentes espécies. Atendendo às propriedades dos materiais obtidos, concluiu-se que vários HDL estudados são candidatos promissores para aplicação em revestimentos multifuncionais. Para além disso o presente trabalho pode ser usado como suporte na elaboração e validação de modelos computacionais que visam prever a captação e libertação de espécies ativas do HDL.
URI: http://hdl.handle.net/10773/30586
Appears in Collections:UA - Teses de doutoramento
DEMaC - Teses de doutoramento

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