Structural characterization of birnessite. Influence of the way of synthesis.
Caractérisation structurale de la birnessite : Influence du protocole de synthèse
Résumé
Birnessite is a lamellar manganese oxide whose layers are built up of edge sharing MnO6 octahedra. The presence of heterovalent Mn cations and/or of vacant sites in these layers leads to a charge deficit compensated for by the presence of hydrated cations in the interlayer space. Because of their high specific area and of their strong oxidative character, these ubiquitous manganese oxides play a fundamental role in the fate of organic and metallic pollutants in the environment, but our imperfect knowledge of their structure limits the understanding and the modeling of this impact. This study aimed at classifying all different kinds of birnessite obtained using existing synthesis protocols according to two relevant criteria: layer symmetry and layer stacking mode, and at determining the structure of several essential varieties using X-ray and electron diffraction. Layers of hydrothermal birnessite contain vacant sites and, as a result, possess an hexagonal symmetry. Their stacking mode is 3R. In high-temperature birnessites, adjacent layers have an opposite orientation, which results in a two-layer polytype. The symmetry of these layers, linked to the origin of the layer charge deficit, depends on the temperature of synthesis. At 800°C the presence of vacant sites results in an hexagonal symmetry (2H polytype). At 1000°C, the layer charge deficit originates from the presence of Mn3+ cations in the layer lowering the layer symmetry (2O polytype). A variety of chemical and structural heterogeneities was also described in these samples, along with the occurrence of a new type of structural disorder. Finally we proved both the fundamental link between the origin of the layer charge and the layer symmetry, and the influence of physico-chemical parameters during synthesis (temperature, average manganese oxidation degree, nature of the interlayer cation) on the structure of the obtained compound. The chemical and thermal stabilities of these birnessites are also compared.
La birnessite est un oxyde de manganèse lamellaire dont les feuillets sont composés d'octaèdres MnO6. La présence dans ces feuillets de cations Mn hétérovalents ou de lacunes induit un déficit de charge compensé par la présence de cations hydratés dans l'espace interfoliaire. Les oxydes de manganèse jouent un rôle fondamental pour le devenir de nombreux polluants organiques ou métalliques dans l'environnement, mais la connaissance imparfaite de leur structure limite la modélisation de cet impact. Le but de ce travail était de recenser et de classifier les différentes variétés de birnessites obtenues selon deux critères pertinents (symétrie du feuillet et mode d'empilement) et de déterminer la structure de plusieurs variétés essentielles par diffraction des rayons X et des électrons. La birnessite hydrothermale est caractérisée par un feuillet lacunaire de symétrie hexagonale et un empilement rhomboédrique 3R. Dans l'empilement des feuillets de la birnessite haute-température, les octaèdres des feuillets successifs présentent une orientation inverse induisant un polytype à deux feuillets. La symétrie de ces feuillets, liée à l'origine du déficit de charge, dépend de la température de synthèse. A 800°C, le feuillet lacunaire possède une symétrie hexagonale (polytype 2H). A 1000°C, le déficit de charge est dû à la présence de Mn3+ dans le feuillet. L'allongement systématique de ces octaèdres selon l'axe a induit une symétrie orthogonale du feuillet (polytype 2O). Diverses hétérogénéités chimiques et structurales ont également été décrites dans ces échantillons, ainsi que l'occurrence originale d'un nouveau type de désordre structural. Nous avons enfin illustré le lien fondamental entre l'origine de la charge foliaire et la symétrie du feuillet, ainsi que l'influence des paramètres physico-chimiques lors de la synthèse (température, degré d'oxydation du manganèse, nature du cation) sur la structure du composé obtenu, et comparé leurs stabilités chimiques et thermiques.