Facile Preparación de Partículas de Hidróxido de Aluminio Ultrafino con o sin Mesoporous MCM-41 en Ambientes Ambientales
Summary
Se preparó una suspensión de nanopartículas de hidróxido de aluminio ultrafino mediante la titulación controlada de [Al (H2O)] 3+ con L-arginina hasta pH 4.6 con y sin confinamiento de efecto jaula dentro de canales mesoporosos de MCM-41.
Abstract
Se sintetizó una suspensión acuosa de nanogibbsite mediante la titulación de ácido acuoso de aluminio [Al (H _ { 2 } O) _ { 6 } ] _ { 3+} con L – arginina a pH 4,6. Dado que se sabe que la hidrólisis de sales de aluminio acuosas produce una amplia gama de productos con una amplia gama de distribuciones de tamaños, una variedad de instrumentos de vanguardia ( es decir, 27 Al / 1H NMR, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD y BET) para caracterizar los productos de síntesis e identificación de subproductos. El producto, que estaba compuesto de nanopartículas (10 – 30 nm), se aisló usando cromatografía de permeación de gel (GPC). La espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) y la difracción de rayos X en polvo (PXRD) identificaron el material purificado como el polimorfo gibbsita del hidróxido de aluminio. La adición de sales inorgánicas ( por ejemplo , NaCl) indujo la desestabilización electrostática de la suspensión, aglomerando así las nanopartículas a yieLd Al (OH) 3 precipita con grandes tamaños de partícula. Utilizando el nuevo método de síntesis descrito aquí, Al (OH) 3 se cargó parcialmente dentro del marco mesoporoso altamente ordenado de MCM-41, con dimensiones de poro promedio de 2,7 nm, produciendo un material de aluminosilicato con Al (Oh / T $ _ { d } $ = 1,4). El contenido total de Al, medido usando espectrometría de rayos X de energía dispersiva (EDX), fue 11% p / p con una relación molar Si / Al de 2,9. Una comparación de EDX en masa con espectroscopía de superficie de espectroscopía de rayos X (XPS) análisis elemental proporcionó información sobre la distribución de Al dentro del material de aluminosilicato. Además, se observó una relación más alta de Si / Al en la superficie externa (3.6) en comparación con la masa (2.9). Las aproximaciones de las relaciones O / Al sugieren una mayor concentración de grupos Al (O) 3 y Al (O) 4 cerca del núcleo y la superficie externa, respectivamente. La recién desarrollada síntesis de Al-MCM-41 produce unaCon alto contenido de Al, manteniendo al mismo tiempo la integridad de la estructura de sílice ordenada y puede utilizarse para aplicaciones en las que las nanopartículas de Al2O3 hidratadas o anhidras son ventajosas.
Introduction
Los materiales hechos de hidróxido de aluminio son candidatos prometedores para una variedad de aplicaciones industriales, incluyendo catálisis, productos farmacéuticos, tratamiento de agua y cosméticos. 1 , 2 , 3 , 4 A temperaturas elevadas, el hidróxido de aluminio absorbe una cantidad sustancial de calor durante la descomposición para producir alúmina (Al2O3), haciéndolo un agente retardador de llama útil. 5 Los cuatro polimorfos conocidos del hidróxido de aluminio ( es decir , gibbsite, bayerita, nordstrandita y doyleita) han sido investigados usando técnicas computacionales y experimentales para mejorar nuestra comprensión de la formación y estructuras de los mismos 6 . La preparación de partículas de nanoescala es de particular interés debido a su potencial para exhibir efectos cuánticos y propiedades que difieren de las de losR contrapartes a granel. Las partículas de nanopartículas con dimensiones del orden de 100 nm se preparan fácilmente bajo diversas condiciones 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .
Superar los desafíos inherentes asociados con la reducción de los tamaños de partícula más es difícil; Por lo tanto, sólo existen unos pocos casos donde las partículas de nanogibbsite tienen dimensiones del orden de 50 nm. 14 , 15 , 16 , 17 Hasta donde sabemos, no ha habido informes de nanogibbsite partículas menores de 50 nm. En parte, esto se atribuye al hecho de que las nanopartículas tienden a aglomerarse debido a la inestabilidad electrostáticaY la alta probabilidad de formación de enlaces de hidrógeno entre las partículas coloidales, especialmente en disolventes próticos polares. Nuestro objetivo fue sintetizar pequeñas nanopartículas de Al (OH) 3 utilizando ingredientes y precursores exclusivamente seguros. En el presente trabajo, se inhibió la agregación de partículas acuosas incorporando un aminoácido ( es decir , L-arginina) como tampón y estabilizador. Además, se ha descrito que la arginina que contiene guanidinio impidió el crecimiento y la agregación de partıculas de hidróxido de aluminio para dar una suspensión coloidal acuosa con tama~nos medios de partıculas de 10-30 nm. Se propone aquí que las propiedades anfóteras y zwitteriónicas de la arginina mitiguen la carga superficial de las nanopartículas de hidróxido de aluminio durante la hidrólisis suave para desfavorecer el crecimiento de partículas más allá de 30 nm. Aunque la arginina no era capaz de reducir el tama~no de partıcula por debajo de 10 nm, tales partıculas se consiguieron aprovechando el efecto de confinamiento de "jaula"Hin los mesoporos de MCM-41. La caracterización del material compuesto Al-MCM-41 reveló nanopartículas de hidróxido de aluminio ultrafino dentro de la sílice mesoporosa, que tiene un tamaño medio de poro de 2,7 nm.
Protocol
Representative Results
Discussion
La preparación de una solución acuosa de cloruro de aluminio implicó el uso de una sal de hexahidrato cristalino de cloruro de aluminio. Aunque también se puede usar la forma anhidra, no se prefiere debido a sus propiedades higroscópicas significativas, lo que hace difícil trabajar con y controlar la concentración de aluminio. Cabe destacar que la solución de cloruro de aluminio debe utilizarse dentro de varios días de preparación porque con el tiempo, el ácido acuoso [Al (H2O) 6 ] 3+ se…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores extienden su agradecimiento al Dr. Thomas J. Emge y Wei Liu de la Universidad de Rutgers por su análisis y experiencia en difracción de rayos X de ángulo pequeño y difracción de rayos X en polvo. Además, los autores reconocen a Hao Wang por su apoyo con los experimentos de adsorción de N2.
Materials
| aluminum chloride hexahydrate | Alfa Aesar | 12297 | |
| L-arginine | BioKyowa | N/A | |
| aluminum hydroxide | Sigma Aldrich | 239186 | |
| Bio-Gel P-4 Gel | Bio-Rad | 150-4128 | |
| Mesoporous siica (MCM-41 type) | Sigma Aldrich | 643645 |
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