Characterisation of silica in Equisetum hyemale and its transformation into biomorphous ceramics
Equisetum spp. (horsetail / “Schachtelhalm”) is the only surviving genus of the primitive Sphenopsids vascular plants which reached their zenith during the Carboniferous era. It is an herbaceous plant and is distinguished by jointed stems with fused whorl of nodal leaves. The plant has been used for...
| Main Author: | |
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Published: |
Universität Potsdam
2007
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| Subjects: | |
| Online Access: | http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-15883 http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2007/1588/ |
| Summary: | Equisetum spp. (horsetail / “Schachtelhalm”) is the only surviving genus of the primitive Sphenopsids vascular plants which reached their zenith during the Carboniferous era. It is an herbaceous plant and is distinguished by jointed stems with fused whorl of nodal leaves. The plant has been used for scouring kitchen utensils and polishing wood during the past time due to its high silica encrustations in the epidermis. Equisetum hyemale (scouring rush) can accumulate silica up to 16% dry weight in its tissue, which makes this plant an interesting candidate as a renewable resource of silica for the synthesis of biomorphous ceramics. The thesis comprises a comprehensive experimental study of silica accumulations in E.hyemale using different characterisation techniques at all hierarchical levels. The obtained results shed light on the local distribution, chemical form, crystallinity, and nanostructure of biogenic silica in E.hyemale which were quite unclear until now. Furthermore, isolation of biogenic silica from E.hyemale to obtain high grade mesoporous silica with high purity is investigated. Finally, syntheses of silicon carbide (b-SiC) by a direct thermoconversion process of E.hyemale is attempted, which is a promising material for high performance ceramics.
It is found that silica is deposited continuously on the entire epidermal layer with the highest concentration on the knobs. The highest silicon content is at the knob tips (≈ 33%), followed by epidermal flank (≈ 17%), and inner lower knob (≈ 6%), whereas there is almost no silicon found in the interior parts. Raman spectroscopy reveals the presence of at least two silica modifications in E.hyemale. The first type is pure hydrated amorphous silica restricted to the knob tips. The second type is accumulated on the entire continuous outer layer adjacent to the epidermis cell walls. It is lacking silanol groups and is intimately associated with polysaccharides (cellulose, hemicellulose, pectin) and inorganic compounds. Silica deposited in E.hyemale is found to be mostly amorphous with almost negligible amounts of crystalline silica in the form of a-quartz (< 7%). The silica primary particles have a plate-like shape with a thickness of about 2 nm. Pure mesoporous amorphous silica with an open surface area up to 400 m2/g can be obtained from E.hyemale after leaching the plant with HCl to remove the inorganic impurities followed by a calcination treatment. The optimum calcination temperature appears to be around 500°C. Calcination of untreated E.hyemale causes a collapse of the biogenic silica structure which is mainly attributed to the detrimental action of alkali ions present in the native plant. Finally, pure b-SiC with a surface area of about 12 m2/g is obtained upon direct pyrolysis of HCl-treated E.hyemale samples in argon atmosphere. The original structure of native E.hyemale is substantially retained in the biomorphous b-SiC.
The results of this thesis lead to a better understanding of the silicification process and allow to draw conclusions about the role of silica in E.hyemale. In particular, a templating role of the plant biopolymers for the synthesis of the nanostructured silica within the plant body can be deduced. Moreover, the high grade ultrafine amorphous silica isolated from E.hyemale promises applications as adsorbent and catalyst support and as silica source for the fabrication of silica-based composites. The synthesis of biomorphous b-SiC from sustainable and low-cost E.hyemale is still in its initial stage. The present thesis demonstrates the principal possibility of carbothermal synthesis of SiC from E.hyemale with the prospect of potential applications, for instance as refractory materials, catalyst supports, or high performance advanced ceramics.
=== Equisetum spp. (Schachtelhalm) ist die einzige überlebende Gattung der Schachtelhalmgewächse, die ihren Zenit während der Karbon Ära erreichten. Der Schachtelhalm ist eine krautartige Pflanze und wird durch verbundene Stämme mit fixiertem Wirtel der Knotenblätter unterschieden. Aufgrund seiner hohen Siliciumdioxid Bedeckung in der Epidermis sind Winterschachtelhalmen lange Zeit zur Reinigung von Küchegeräten und zum Polieren von Holz verwendet worden. Der Winterschachtelhalm (auch Scheuerkraut genannt) kann Siliciumdioxid bis zu 16% Trockengewicht in seinem Gewebe ansammeln. Dies macht aus dieser Pflanze einen interessanten Kandidaten als erneubare Ressource von Siliciumdioxid für die Synthese von biomorphen Keramiken. Die vorliegende Doktorarbeit beinhaltet eine ausführliche experimentelle Studie der Siliciumdioxidansammlungen in Winterschachtelhalmen mittels unterschiedlicher Charakterisierungstechniken auf allen hierarchischen Ebenen. Die Ergebnisse der Arbeit werfen neues Licht auf die lokale Verteilung, die chemischen Form, die Kristallinität und die Nanostruktur des biogenen Siliciumdioxids, die bisher ziemlich unklar waren. Außerdem werden Möglichkeiten zur Isolierung des biogenen Siliciumdioxids aus Winterschachtelhalmen untersucht, um hochgradig reines Siliciumdioxid zu erhalten. Auch wird die direkte carbothermale Synthese von Siliciumkarbid (b-SiC) aus Schachtelhalmen untersucht, mit dem Ziel einer kostengünstigen Herstellung von Hochleistungskeramiken aus nachwachsenden Rohstoffen
Es wird gezeigt, dass das Siliciumdioxid in einer kontinuierlichen Schicht in der Epidermis vorliegt, mit der höchsten Siliciumkonzentration in den auffälligen knopfartigen Ausbuchtungen. Den höchsten Siliciumgehalt zeigen die Knopfspitzen (≈ 33%), gefolgt von der epidermalen Flanke (≈ 17%) und inneren unteren Teile der Knöpfe (≈ 6%), während es in den inneren Teilen der Pflanze praktisch kein Silicium gibt. Ramanspektroskopie beweist eindeutig, dass mindestens zwei Siliciumdioxid Modifikationen vorhanden sind. Der erste Typ ist reines hydratisiertes amorphes Siliciumdioxid, das auf den Bereich der Knopfspitzen beschränkt ist. Der zweite Typ wird in der gesamten kontinuierlichen äußeren Schicht angesammelt, weist keine Ramanbanden von Silanolgruppen auf, und ist örtlich eng verknüpft mit Banden von Polysacchariden (Zellulose, Hemizellulose, Pektin) sowie anorganischen Verbindungen. Der Großteil des Siliciumdioxids in Winterschachtelhalmen ist amorph mit unwesentlichen Mengen an kristallinem a-Quarz (< 7%). Die primären Siliciumdioxidpartikel haben eine plattenähnliche Form mit einer Dicke von ungefähr 2 nm. Hochreines mesoporöses amorphes Siliciumdioxid mit offener Porosität und innerer Oberfläche bis zu 400 m2/g kann aus Winterschachtelhalmen isoliert werden. Dies wird erreicht indem man die Pflanze mit Salzsäure behandelt um die anorganischen Verunreinigungen zu entfernen, gefolgt von einer Kalzinierung, wobei die optimale Temperatur bei etwa 500°C liegt. Im Gegensatz zu den chemisch vorbehandelten Schachtelhalmen, verursacht die Kalzinierung von unbehandelten Winterschachtelhalmen einen Kollaps der biogenen Siliciumdioxidstruktur, und es werden nur sehr kleine innere Oberflächen erzielt. Dies wird hauptsächlich dem Einfluss der Alkaliionen zugeschrieben die in der unbehandelten Pflanze vorhanden sind. Es wird schließlich gezeigt, dass durch direkte Pyrolyse der HCl-behandelten Winterschachtelhalme in Argonatmosphäre reines b-SiC mit einer Oberfläche von ungefähr 12 m2/g erzeugt werden kann. Die ursprüngliche Struktur von natürlichen Winterschachtelhalmen bleibt dabei im Wesentlichen im biomorphen b-SiC erhalten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit führen zu einem besseren Verständnis des Silicifizierungsprozesses und erlauben es auch, Aussagen über die mögliche Rolle von Siliciumdioxid in E.hyemale zu treffen. Insbesondere kann den Pflanzenpolymeren die Rolle eines Templates bei der Synthese des biogenen Siliciumdioxids im Pflanzengewebe zugeschrieben werden. Das aus den Pflanzen isolierte ultrafeine amorphe Siliciumdioxid mit hoher Reinheit verspricht potentielle Anwendungen, z.B. als Adsorbent oder Katalysatorsupport, und auch als Füllmaterial für die Herstellung von Komopositmaterialien. Die Synthese von biomorphem b-SiC aus erneubaren und preiswerten Winterschachtelhalmen steht zwar erst am Anfang, jedoch konnte die vorliegende Arbeit die prinzipielle Machbarkeit aufzeigen. Dieses Material scheint sehr vielversprechend für eine Reihe technischer Anwendung, zum Beispiel als Refraktärmaterial, Katalysatorsupport oder neuartige Hochleistungskeramik.
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