מאפייני משטח של פחמן Nanoporous מסונתז סיליקה מטריצות

Summary

כאן אנחנו מדווחים את סינתזה ואפיון של פחמן nanoporous מסודרת (עם גודל הנקבוביות nm 4.6) SBA-15 (עם גודל הנקבוביות 5.3 ננומטר). העבודה מתארת השטח רקמתי מאפייני הנפות מולקולרית nanoporous, wettability שלהם, ואת ההתנהגות ההיתוך של D₂O כלוא בתוך החומרים.

Abstract

בעבודה זו, אנחנו מדווחים סינתזה של אפיון של הורה nanoporous החומר פחמן (הנקרא גם mesoporous מסודרות פחמן חומר [OMC]) עם גודל הנקבוביות nm 4.6 וחדר סיליקה מסודרות מטריצה נקבובי, SBA-15, עם גודל הנקבוביות 5.3 ננומטר. עבודה זו מתאר את מאפייני השטח של הנפות מולקולרית nanoporous, wettability שלהם, ואת ההתנהגות ההיתוך של D₂O כלוא בתוך החומרים נקבובי מסודרות בצורה שונה עם גדלים נקבובית דומה. למטרה זו, OMC ו SBA-15 עם nanoporous מאוד מסודרת הם מבנים מסונתז ויה הספגה של המטריקס סיליקה על-ידי החלת הקדמה פחמן ולפי השיטה סול-ג’ל, בהתאמה. המבנה הנקבובי של מערכות ובדוקים מאופיין על-ידי ניתוח ספיחה-desorption₂ N-77 K… כדי לקבוע את התו אלקטרוכימי של פני השטח של חומרים מסונתז, נערכות מדידות טיטור potentiometric; התוצאות שהושג עבור OMC מראה משמרת_pzc pH משמעותי כלפי הערכים גבוהים יותר של pH, ביחס SBA-15. הדבר מצביע על כי OMC ובדוקים יש מאפייני משטח הקשורים קבוצות פונקציונליות מבוססת חמצן. כדי לתאר את מאפייני השטח של החומרים, הזוויות קשר של נוזלים לחדור את המיטות נקבובי למדה גם נחושים השיטה עליית נימי אישרה את wettability מוגבר של הקירות סיליקה ביחס הקירות פחמן, השפעה החספוס נקבובית לאינטראקציות נוזל/קיר, אשר בולט הרבה יותר עבור סיליקה מאשר עבור פחמן mesopores. למדנו גם את התנהגות ההיתוך D₂O מרותק OMC ו- SBA-15 על-ידי החלת שיטת מבודד. התוצאות מציגות כי הדיכאון של טמפרטורת ההיתוך D₂O בתוך הנקבוביות של OMC הוא גבוה יחסית השפל של טמפרטורת ההיתוך SBA-15 בערך 15 K נקבוביות בגודל ננומטר 5 דומות. הדבר נגרם על ידי השפעתו של adsorbate/adsorbent אינטראקציות של מטריצות למד.

Introduction

בשנת 1992, nanoporous מסודרות סיליקה חומרים התקבלו בפעם הראשונה, באמצעות תבנית אורגני; מאז, מספר רב של פרסומים הקשורים היבטים שונים של מבנים אלה, שיטות סינתטי, החקירה של הנכסים שלהם, את השינויים שלהם, ועל יישומים שונים הופיעו בספרות^{1,2 ,3}. האינטרס SBA-15 nanoporous סיליקה מטריקס⁴ הוא בגלל איכות הייחודי שלהם: נקבוביות גבוהה פני שטח, רחב עם התפלגות גודל הנקבוביות אחיד, ומאפייני כימי מכניים טוב. Nanoporous חומרים סיליקה עם נקבוביות גלילי, כגון SBA-15⁵, לעיתים קרובות משמשים מטריצה נקבובי זרזים כפי שהם זרזים יעילים באורגנית תגובות^6,7. החומר יכול להיות מסונתז עם מגוון רחב של שיטות שבהן יכולים להשפיע על שלהם מאפיינים^8,9,10. לכן, זה הכרחי כדי למטב את שיטות אלה עבור יישומים פוטנציאליים בתחומים רבים: התקנים אלקטרוכימי, ננוטכנולוגיה, ביולוגיה ורפואה, סמים מערכות אספקה, או הדבקה, tribology. בהווה לומדים, שני סוגים שונים של מבנים nanoporous מוצגים, כלומר סיליקה ופחמן מטריצות נקבובי. כדי להשוות את המאפיינים שלהם, המטריקס SBA-15 הוא מסונתז בשיטת סול-ג’ל, החומר פחמן nanoporous הורה מוכן על ידי ההפריה של המטריצה המתקבלת סיליקה עם הקדמה פחמן.

פחם נקבובי חומרים חשובים מכשירים רבים בשל שטח גבוהה שלהם ואת שלהם מאפיינים physicochemical ייחודי ומוגדר היטב^6,11,12. הכנה טיפוסי התוצאות בחומרים עם נקבוביות מפוזרות באקראי ומבנה המתוסבכים; יש גם אפשרות מוגבלת לשינוי הפרמטרים נקבוביות כללי, לפיכך, מבנים עם הפצות גודל הנקבוביות רחב יחסית מתקבלים¹³. אפשרות זו היא הרחיבה לחומרים פחמן nanoporous עם פני השטח באזורים גבוהים והורה מערכות nanopores. יותר לחזות את הגיאומטריה, שליטה רבה יותר של תהליכי physicochemical בתוך החלל חשובים ביישומים רבים: כמו זרזים, ההפרדה מדיה מערכות מתקדמות חומרים אלקטרוניים, nanoreactors תחומים מדעיים רבים^{14 , 15}.

כדי להשיג עותקים משוכפלים של פחם נקבובי, ל”מי הורה יכול לשמש מטריצה מוצק שאליו פחמן מבשרי מוצגים ישירות. ניתן לחלק את השיטה מספר שלבים: בחירת חומר סיליקה מסודרות; בתצהיר של הקדמה פחמן במטריצה סיליקה; פחמון; לאחר מכן, הסרת המטריקס סיליקה. סוגים שונים של חומרים פחמן וניתן להשיגו באמצעות שיטה זו, אבל לא כל החומרים nonporous יש מבנה מסודר. מרכיב חשוב של התהליך הוא הבחירה של מטריצה מתאימה nanopores אשר חייבת ליצור מבנה יציב, תלת מימדי¹⁶.

בעבודה זו, חקר את ההשפעה של סוג קירות נקבובית על המאפיינים משטח של מטריצות nanoporous מסונתז. מאפייני החומר OMC משטח משתקפים על ידי תכונות פני השטח סיליקה אנלוגי (SBA-15) של OMC. המאפיינים רקמתי ו מבנית של שני סוגי חומרים (OMC ו SBA-15) מאופיינים על ידי מדידות ספיחה/desorption של₂ N בטמפרטורה נמוכה (ב 77 K) במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), אנרגיה (ניתוח רנטגן ואנליזת EDX).

גז בטמפרטורה נמוכה ספיחה/desorption מדידה היא אחת הטכניקות החשובות ביותר במהלך אפיון חומרים נקבובי. גז חנקן משמש של adsorbate עקב שלה טוהר גבוהה ואפשרות ליצירת של הכוח הגרעיני החזק עם adsorbents מוצק. יתרונות חשובים של טכניקה זו הם נוחים מכשור מסחרי קל יחסית תהליכי עיבוד הנתונים. הקביעה של חנקן ספיחה/desorption isotherms מבוסס על ההצטברות של מולקולות adsorbate על פני השטח של המוצק adsorbent-77 K במגוון רחב של לחץ (P/P₀). ההליך בארט ג’וינר, Halenda (BJH) לצורך חישוב התפלגות גודל הנקבוביות של ניסויי ספיחה או desorption isotherms מוחל. ההנחות החשובות ביותר של השיטה BJH כוללים משטח מישורי, ריפודי כתופיים של adsorbate על פני השטח ובדוקים. עם זאת, התיאוריה הזו מבוססת על המשוואה קלווין והוא נותר הצורה הנפוצה ביותר עבור חישוב התפלגות גודל הנקבוביות בטווח mesoporous.

כדי להעריך את אופיו אלקטרוכימי של הדגימות, שיטה טיטור potentiometric מוחל. הכימיה פני השטח של החומר תלוי משטח הטעינה הקשורות לנוכחות של heteroatoms או קבוצות פונקציונליות על פני השטח. מאפייני משטח נחקרות גם על-ידי ניתוח זווית מגע. Wettability בתוך הנקבוביות מספק מידע אודות האינטראקציות adsorbate-adsorbent. השפעת בצבעוניות קיר על טמפרטורת ההיתוך המים מוגבל שתי הדגימות הוא למד עם טכניקת הרפיה מבודד ספקטרוסקופיה (DRS). מדידות של קבוע דיאלקטרי לאפשר החקירה של התכה תופעות כמו פולריזביליות של הנוזל, מוצק שלבים שונים אחד מהשני. שינוי השיפוע של התלות בטמפרטורה של קיבול מראה כי נמס מתרחשת במערכת.

Protocol

1. הכנת החומרים OMC סינתזה של מטריצה סיליקה כמו OMC קודמן להכין 360 מ ל 1.6 M HCl על-ידי הוספת 50 מ של HCl (36-38%) בקבוקון סיבוב המדרגה 500 מ”ל ו, אז, הוספת 310 מ ל מים הנדסה גנטית (resistivity של 18.2 MΩ·cm). לכך, להוסיף 10 גרם של PE 10500 פולימר (6.500 g/mol). מקם את הבקבוקון באמבט אולטראסוני. מחממים ?…

Representative Results

כדי לאפיין את המבנה הנקבובי של הדגימות ובדוקים של OMC, SBA-15, N2 ספיחה-desorption isotherms הוקלטו ב 77 ק… ניסיוני N2 גז ספיחה-desorption isotherms אפיון של מערכות ובדוקים, כמו גם את הפצות גודל הנקבוביות (PSD) המתקבל הנתונים ספיחה, desorption, מוצגים איור 1A-D. המיקום של …

Discussion

השלבים הקריטיים במהלך הכנת החומר פחמן mesoporous מסודרות כוללות הכנת החומרים סיליקה mesoporous מסודרות כמו בתבנית עם מוגדרים היטב מאפיינים מבניים המשפיעים על מאפייני החומרים הסופי ו- a שלב הרפיה/פחמון תחת אווירה חנקן. השינוי של שיטת ההכנה של mesoporous טיפוסי הורה ל”מי עם נקבוביות גלילי²⁸ חש…

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