Oberflächeneigenschaften von synthetisierten nanoporöse Carbon und Silica-Matrizen

Summary

Hier berichten wir über die Synthese und Charakterisierung von bestellten nanoporöse Carbon (mit einer 4,6 nm Porengröße) und SBA-15 (mit einem 5,3 nm Porengröße). Das Werk beschreibt die Oberfläche und strukturelle Eigenschaften von nanoporösen Molekularsiebe, ihrer Benetzbarkeit und das Schmelzverhalten von D₂O in den Materialien beschränkt.

Abstract

In dieser Arbeit, wir berichten die Synthese und Charakterisierung von bestellten nanoporöse Carbon-Material (auch genannt bestellten mesoporösen Carbonmaterial [OMC]) mit 4,6 nm Porengröße und bestellten Kieselsäure porösen Matrix, SBA-15, mit einem 5,3 nm Porengröße. Diese Arbeit beschreibt die Oberflächeneigenschaften von nanoporösen Molekularsiebe, deren Benetzbarkeit und das Schmelzverhalten von D₂O in anders bestellten porösen Materialien mit ähnlichen Porengrößen beschränkt. Zu diesem Zweck synthetisiert OMC und SBA-15 mit hochgeordnete nanoporösen Strukturen sind über Imprägnierung der Silica-Matrix durch die Anwendung eines Kohlenstoff-Vorläufer und von der Sol-Gel-Methode bzw.. Die poröse Struktur des untersuchten Systeme zeichnet sich durch eine N₂ Adsorption Desorption Analyse bei 77 K. Um die elektrochemische Charakter der Oberfläche des synthetisierten Materialien zu bestimmen, sind die potentiometrische Titration Messungen durchgeführt; die erzielten Ergebnisse für OMC zeigt eine signifikante pH_Pzc Verlagerung hin zu den höheren Werten von pH, bezogen auf SBA-15. Dies deutet darauf hin, dass untersuchten OMC Oberflächeneigenschaften, die im Zusammenhang mit Sauerstoff-basierte Funktionsgruppen hat. Um die Oberflächeneigenschaften der Materialien zu beschreiben, werden auch die Kontaktwinkel von Flüssigkeiten durchdringen die untersuchten poröse Betten bestimmt. Die kapillare Aufstieg Methode hat bestätigt, die erhöhte Benetzbarkeit der Kieselsäure Wände im Vergleich zu den Carbon-Wänden und Einfluss die Pore Rauheit auf der Flüssigkeit/Wand-Wechselwirkungen, die für Kieselsäure als für Kohlenstoff Mesopores viel ausgeprägter ist. Wir haben auch das Schmelzverhalten von D₂O beschränkt im OKM und SBA-15 mit der dielektrischen Methode untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Depression der Schmelztemperatur des D₂O in den Poren des OKM ist ca. 15 K höher im Vergleich zu der Depression der Schmelztemperatur im SBA-15 mit einer vergleichbaren 5 nm Größe Poren. Dies wird durch den Einfluss von adsorptiv/Adsorbens Interaktionen der untersuchten Matrizen verursacht.

Introduction

Im Jahr 1992 wurden bestellten nanoporösen Kieselsäure Materialien zum ersten Mal erhalten mithilfe einer organischen Vorlage; Seit dieser Zeit eine große Anzahl von Publikationen im Zusammenhang mit verschiedenen Aspekten dieser Strukturen, synthetischen Methoden, die Untersuchung ihrer Eigenschaften, ihrer Änderungen und verschiedene Anwendungen sind in der Literatur^{1,2 erschienen ,3}. Das Interesse an SBA-15 nanoporösen Kieselsäure Matrix⁴ ist durch ihre einzigartige Qualität: eine große Oberfläche, große Poren mit einer einheitlichen Größe Porenverteilung und guten chemischen und mechanischen Eigenschaften. Nanoporösen Kieselsäure Materialien mit zylindrischen Poren, z. B. SBA-15⁵, werden häufig als poröse Matrix für Katalysatoren verwendet, sind effiziente Katalysatoren in organischen Reaktionen^6,7. Das Material kann mit einer breiten Palette von Methoden synthetisiert werden, die ihre Eigenschaften^8,9,10beeinflussen können. Daher ist es entscheidend, diese Methoden für potenzielle Anwendungen in vielen Bereichen zu optimieren: elektrochemische Geräte, Nanotechnologie, Biologie und Medizin, drug Delivery-Systeme oder in Haftung und Tribologie. In der vorliegenden Studie, zwei verschiedene Arten von nanoporösen Strukturen werden vorgestellt, nämlich Silizium und Kohlenstoff poröse Matrizen. Um ihre Eigenschaften zu vergleichen, die SBA-15-Matrix mit der Sol-Gel-Methode synthetisiert wird, und die bestellten nanoporöse Carbon-Material wird vorbereitet, indem die Imprägnierung der daraus resultierenden Silica-Matrix mit einer Kohlenstoff-Vorläufer.

Poröse Kohlenstoffmaterialien sind wichtig für viele Geräte aufgrund ihrer großen Oberfläche und ihre einzigartigen und gut definierte physikalisch-chemischen Eigenschaften^6,11,12. Typische Zubereitung ergibt Materialien mit zufällig verteilten Porosität und eine ungeordnete Struktur; Es gibt auch eine begrenzte Möglichkeit für die Änderung der allgemeinen Pore Parameter und Strukturen mit relativ breiten Pore Größenverteilung sind somit¹³erhalten. Diese Möglichkeit ist für nanoporöse Kohlenstoffmaterialien mit hohen Flächen erweitert und Systeme der Nanoporen bestellt. Mehr vorhergesagt, Geometrie und mehr Kontrolle über die physikalisch-chemischen Prozesse im Inneren der Porenraum sind in vielen Anwendungen wichtig: als Katalysatoren, Trennung Mediensysteme, fortschrittliche elektronische Materialien und Nanoreaktoren in vielen Wissenschaftsgebieten^{14 , 15}.

Um die porösen Kohlenstoff-Replikate zu erhalten, können einer festen Matrix bestellten Silikate fungieren, die Kohlenstoff-Vorstufen direkt eingeführt werden. Die Methode kann in mehrere Phasen unterteilt werden: die Auswahl der bestellten Kieselsäure Material; die Ablagerung von Kohlenstoff Vorläufer in einer Silica-Matrix; Karbonisierung; dann die Entfernung der Silica-Matrix. Viele verschiedene Arten von kohlenstoffhaltigen Materialien erhalten Sie mit dieser Methode, aber nicht alle nicht porös Materialien haben eine geordnete Struktur. Ein wichtiges Element des Prozesses ist die Auswahl einer geeigneten Matrix deren Nanoporen eine stabile, dreidimensionale Struktur¹⁶bilden müssen.

In dieser Arbeit wird der Einfluss der Art der Pore Wände auf die Oberflächeneigenschaften der synthetisierten nanoporöse Matrizen untersucht. Die Oberflächeneigenschaften von OMC Material sind die Oberflächeneigenschaften der Kieselsäure analog (SBA-15) von OMC wider. Die strukturellen und strukturellen Eigenschaften der beiden Arten von Materialien (OMC und SBA-15) zeichnen sich durch Niedertemperatur-N₂ Adsorption/Desorption Messungen (bei 77 K), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Energy dispersive x-ray Analyse () EDX).

Niedertemperatur-Gas Adsorption/Desorption Messung ist eine der wichtigsten Techniken bei der Charakterisierung von porösen Materialien. Stickstoffgas dient als ein adsorptiv aufgrund seiner hohen Reinheit und die Möglichkeit, um eine starke Interaktion mit festen Adsorbentien zu erstellen. Wesentliche Vorteile dieser Technik sind die benutzerfreundliche Handelsausrüstung und relativ einfache EDV-Verfahren. Die Bestimmung von Stickstoff Adsorption/Desorption isothermen basiert auf die Anhäufung von adsorptiv Moleküle auf der Oberfläche der festen Adsorptionsmittel bei 77 K in einer Vielzahl von Druck (P/P₀). Das Barrett, Joyner und Halenda (BJH) Verfahren zur Berechnung der Pore Größenverteilung von experimentellen Adsorption und Desorption isothermen wird angewendet. Die wichtigsten Annahmen der BJH-Methode gehören eine planare Fläche und eine gleichmäßige Verteilung der adsorptiv an der untersuchten Oberfläche. Aber diese Theorie basiert auf der Kelvin-Gleichung und es bleibt die am weitesten verbreitete Art und Weise für die Berechnung der Größe Porenverteilung im Bereich von mesoporösen.

Um die elektrochemische Charakter der Proben zu bewerten, ist eine potentiometrische Titration-Methode angewendet. Die Oberflächenchemie des Materials hängt die Oberflächenladung, die im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Heteroatomen oder funktionelle Gruppen auf der Oberfläche. Die DGM-Eigenschaften werden auch durch Kontaktwinkel Analyse untersucht. Die Benetzbarkeit in den Poren informiert über die adsorptiv Adsorbens-Interaktionen. Der Einfluss der Wandrauigkeit auf die Schmelztemperatur des Wassers in beiden Proben beschränkt wird mit der dielektrischen Spektroskopie (DRS) Entspannungstechnik untersucht. Messungen von der Dielektrizitätskonstante ermöglichen die Untersuchung der Phänomene wie die Polarisierbarkeit der Flüssigkeit schmelzen und feste Phasen unterscheiden sich voneinander. Eine Änderung in der Steigung der Temperaturabhängigkeit der Kapazität zeigt, dass schmelzen im System auftritt.

Protocol

1. Vorbereitung der OMK Materialien Synthese einer Silica-Matrix als OMC-Vorstufe Bereiten Sie 360 mL von 1,6 M HCl durch Zugabe von 50 mL HCl (36-38 %) in einem 500 mL Rundboden Kolben und, dann, das Hinzufügen von 310 mL Reinstwasser (Widerstand von 18,2 MΩ·cm). Dazu fügen Sie 10 g PE 10500 Polymer (6.500 g/Mol). Legen Sie die Flasche in ein Ultraschallbad. Erhitzen Sie die Lösung auf 35 ° C und rühren Sie, bis die solid Polymer vollständig gelöst ist…

Representative Results

Die poröse Struktur des untersuchten Proben der OMK und SBA-15, die N-2 Adsorption Desorption charakterisieren verzeichneten isothermen bei 77 K. Die experimentelle N2 Gas Adsorption Desorption isothermen Charakterisierung der untersuchten Systeme sowie die Pore Partikelgrößenverteilungen (PSD) die Adsorption und Desorption Daten entnommen werden in Abbildung 1A-Dvorgestellt. Die Position der die Wendepunkte auf die S…

Discussion

Die entscheidenden Schritte bei der Vorbereitung des bestellten mesoporösen Carbon Materials sind die Vorbereitung der Kieselsäure bestellten mesoporösen Materialien wie die Vorlage mit klar definierten strukturellen Eigenschaften, die die Eigenschaften der endgültigen Materialien beeinflussen und eine Anlassen/Karbonisierung Schritt unter Stickstoffatmosphäre. Die Änderung der typische Methode der Vorbereitung der mesoporösen bestellt Silikate mit zylindrischen Poren²⁸ betrifft die Anwendu…

Materials

1,3,5-trimethylbenzene	Sigma-Aldrich, Poland	M7200 Sigma-Aldrich	Mesitylene, also known as 1,3,5-trimethylbenzene, reagent grade, assay: 98%.
anhydrous ethanol	POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A.	396480111	Assay, min. 99.8 %, analysis-pur (a.p.)
ASAP 2020. Accelerated Surface Area and Porosimetry System	Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA, USA		Samples were outgassed before analysis at 120 oC for 24 hours in degas port of analyzer. The dead space volume was measured for calibration on experimental measurement using helium as a adsorbate.
Automatic burette Dosimat 665	Metrohm, Switzerland		The surface charge properties were experimentally determined by potentiometric titration of the suspension at constant temperature 20°C maintained by the thermostatic device. Prior to potentiometric titration measurements, the solid samples were dried by 24 hours at 120 oC. The initial pH was established by addition of 0.3 cm3 of 0.2 mol/L HCl. T The 0.1 mol/L NaOH solution was used as a titrant, added gradually by using automatic burette.
Digital pH-meter pHm-240	Radiometer, Copenhagen		Device coupled with automatic burette
ethyl alcohol	POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A.	396420420	Assay, min. 96 %.analysis-pur (a.p.)
glucose	POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A.	459560448	assay 99.5%
Hydrochloric acid	POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A.	575283115	Hydrochloric acid, 35 – 38% analysis-pur (a.p.)
HOPG graphite substrate	Spi Supplies	LOT#1170906	HOPG SPI-2 Grade, 20x20x1 mm
Impedance analyzer Solartron 1260	Solartron
Pluronic PE 6400 polymer	BASF (Polska)		(EO13PO70EO13)
Pluronic PE10500	BASF Canada Inc.		Molar mass 6500 g/mol
potassium hydroxide	Sigma-Aldrich, Poland	P5958 Sigma-Aldrich	BioXtra, ≥85% KOH basis
SEM microscope	JEOL JSM-7001F		Scanning Electron Microscope with EDS detector
Sigma Force Tensiometer 701	KSV, Sigma701, Biolin Scientific		force tensiometer
Sulfuric acid (VI)	POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A.	575000115
surface glass type KS 324 Kavalier	Megan Poland		80 % of SiO2 , 11% of Na2O and 9% of CaO
Tecnai G2 T20 X-TWIN	FEI, USA		Transmission Electron Microscope with EDX detector.
TEM microscope	JEOL JEM-1400
temperature controller ITC503	Oxford Instruments
Tetraethylorthosilicate	Sigma-Aldrich, Poland	131903	Tetraethyl silicate, TEOS, reagent grade, assay 98%
Ultrapure water	Millipore, Merck KGaA, Darmstadt, Germany	SIMSV0001	Simplicity Water Purification SystemUltrapure Water: 18.2 MegOhm·cm, TOC: <5 ppb