Effect of Zirconia Formation Temperature on the State of Surface Hydroxyl Groups and the Nature of Carbonate Species as Revealed by FTIR Spectroscopy

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作者
Володимир Трихліб
出处
期刊:
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.15005080/v1
摘要

FTIR spectroscopy was employed to investigate the evolution of surface hydroxyl groups, carbonate species, and the crystalline structure of zirconium dioxide (ZrO2) synthesized by a topotactic method at calcination temperatures of 150, 200, 400, and 600 °C. At low temperatures, the broad absorption in the 3650–3300 cm-1 region is attributed to adsorbed water together with bridging ≡Zr2–OH (Type IIa) and tribridging ≡Zr3–OH (Type III) hydroxyls as classified by the Knözinger–Ratnasamy scheme, whereas at 400–600 °C isolated terminal ≡Zr–OH groups of Type Ia (3775–3760 cm-1, pKa ≈ 2–4) predominate. Drawing on recent DFT calculations by Scafuri et al. (2025), the carbonate bands observed at 1520, 1460, 1400, and 1360 cm-1 are assigned predominantly to polydentate surface carbonate species—bridging (BC) and polydentate (PC) types—formed through adsorption of atmospheric CO2 during drying rather than through a solid-state reaction. Monodentate carbonates are thermodynamically unstable on the m-ZrO2 surface and instantaneously rearrange into polydentate forms. The CO2 adsorption energy and the magnitude of Δν3 splitting are governed by the coordination number of surface Zr4+ ions. This conclusion is supported by the increase in carbonate band intensities from 150 to 200 °C in parallel with the growth of specific surface area, and by their disappearance at 400 °C, a temperature well below the decomposition temperature of bulk carbonate phases (480–530 °C). Analysis of the 800–400 cm-1 region confirms the structural evolution from the amorphous state (FWHM > 200 cm-1) through crystallization of t-ZrO2 (bands at ~740 and ~585 cm-1) to a mixture of t- and m-ZrO2 at 600 °C (~500 and ~455 cm-1).

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