Dynamics and Structure of Hydration Water on Rutile and Cassiterite Nanopowders Studied by Quasielastic Neutron Scattering and Molecular Dynamics Simulations

0099464 - UCHP-M 20080090 RIV US eng J - Journal Article
Mamontov, E. - Vlček, Lukáš - Wesolowski, D.J. - Cummings, P.T. - Wang, W. - Anovitz, L. M. - Rosenqvist, J. - Brown, C.M. - Garcia Sakai, V.
Dynamics and Structure of Hydration Water on Rutile and Cassiterite Nanopowders Studied by Quasielastic Neutron Scattering and Molecular Dynamics Simulations.
[Dynamika a struktura hydratační vodz na rutilových a kasiteritových nanočásticích studované kvazielastickou neutronovou difrakcí a molekularně dynamickými simulacemi.]
Journal of Physical Chemistry C. Roč. 111, č. 11 (2007), s. 4328-4341. ISSN 1932-7447. E-ISSN 1932-7455
Grant - others:NSFA(US) DMR-0454672; LLC(US) DE-AC05-00OR22725
Institutional research plan: CEZ:AV0Z40720504
Source of funding: N - Non-public resources ; N - Non-public resources
Keywords : metal oxide * water * qens
Subject RIV: CF - Physical ; Theoretical Chemistry

Quasielastic neutron scattering (QENS) experiments carried out using time-of-flight and backscattering neutron spectrometers revealed the diffusion dynamics of hydration water in nanopowder rutile (TiO2) and cassiterite (SnO2). When hydrated under ambient conditions, the nanopowders had similar levels of hydration: about 3.5 (OH/H2O) molecules per Ti2O4 surface structural unit of TiO2 and about 4.0 (OH/H2O) molecules per Sn2O4 surface unit of SnO2. Molecular dynamics simulations at these levels of hydration indicate three structurally distinct sorbed water layers. Three hydration water diffusion components, on the time scale of a picosecond, tens of picoseconds, and a nanosecond could be extracted from the QENS spectra of both oxides. In TiO2 hydration water, the more strongly bound water molecules in the second layer exhibited slow nanosecond dynamics characterized by super-Arrhenius behavior above 220 K and the dynamic transition to Arrhenius behavior at lower temperatures.

Kvazielastická neutronová difrakce (QENS) time-of-flight a backscattering spektrometry byla použita ke studiu dynamiky hydratační vody na rutilových (TiO2) a kasiteritových (SnO2) nanočásticích. Za laboratorních podmínek jsou oba typy nanočástic hydratovány pododobným množstvím vody: přibližně 3,5 molekul na Ti2O4 povrchovou jednotku a při přibližně 4,0 molekul na Sn2O4 povrchovou jednotku. Molekulárně dynamické simulace s uvedeným množstvím adsorbované vody ukázaly tři vyhraněné vrstvy vody. QENS experimenty na obou systemech ukázaly tři komponenty difúze v řádu pikosekund, desítek pikosekund a nanosekund. Silněji vázaná hydratační voda na TiO2 pocházející ze druhé vrstvy vykazovala pomalou dynamiku v řádu nanosekund se super-arrheniovským chováním nad 220 K a s arrheniovským chováním za nižších teplot.
Permanent Link: http://hdl.handle.net/11104/0158056