합성된 성공 탄소 그리고 실리 카 매트릭스의 표면 특성

Summary

여기 우리 합성 및 주문된 성공 (4.6 nm 기 공 크기)와 탄소와 SBA-15 (5.3 nm 기 공 크기)의 특성을 보고합니다. 작업 표면 및 성공 분자 체의 텍스처 속성, 그들의 습윤 D₂O 자료에 국한의 녹는 동작에 설명 합니다.

Abstract

이 작품에서는, 우리는 합성 및 특성의 주문 성공 4.6 nm 기 공 크기와 정렬 된 실리 카 다공성 매트릭스, 탄소 재료 (정렬된 mesoporous 탄소 소재 [OMC] 라고도 함) 보고 5.3 nm 기 공 크기와 SBA-15. 이 작품 성공 분자 체, 그들의 습윤의 표면 특성을 설명 하 고 D₂O의 녹는 동작 비슷한 기 공 크기와 다르게 정렬 된 다공성 물질에 국한. 이 위해 OMC와 구조는 고도로 정렬 된 성공으로 SBA 15 합성 실리 카 매트릭스의 임신을 통해 탄소 전 구체를 적용 하 여 고 졸-겔 방법에 의해 각각. 조사 시스템의 다공성 구조는 N₂ 흡착-탈 착 분석 77 공화국에 의해 특징입니다. 합성된 재료의 표면의 전기 화학적 특성을 확인 하려면 potentiometric 적정 측정 실시 하는; OMC에 대 한 취득된 결과 pH, SBA 15 기준의 더 높은 값으로 중요 한 pH_pzc 변화를 보여줍니다. 이 조사 OMC 속성이 표면 산소 기반 기능 그룹에 관련 된 제안 합니다. 설명 하기 위해 재료의 표면 특성, 공부 다공성 침대를 관통 하는 액체의 접촉 각도 또한 결정 됩니다. 모 세관 상승 방법 탄소 벽을 기준으로 실리 카 벽의 증가 습윤 및 탄소 mesopores에 대 한 보다 실리 카에 대 한 발음 훨씬 더는 액체/벽 상호 작용에 기 공 거칠기의 영향을 확인 했습니다. 우리 또한 D₂O 유 전체 메서드를 적용 하 여 OMC와 SBA 15에 국한의 녹는 동작을 공부 했다. 결과 D₂O OMC의 숨 구멍에서의 용융 온도의 우울증 약 15 K SBA 15에 녹는 온도의 우울증에 상대적으로 높은 비교 5 nm 크기 숨 구멍은 보여준다. 이것은 공부 매트릭스의 흡착/흡착 제 상호 작용의 영향에 의해 발생 합니다.

Introduction

1992 년에, 주문된 성공 실리 카 재료 했다 처음으로 사용 하 여 얻은 유기 템플릿; 그 이후, 이러한 구조, 합성 방법, 그들의 속성을 수정의 조사의 다양 한 측면에 관련 된 많은 간행물 및 다른 응용 프로그램은 문학^{1,2에 등장 ,3}. SBA 15 성공 실리 카 매트릭스⁴ 에 대 한 관심은 그들의 독특한 품질: 균일 한 기 공 크기 분포와 좋은 화학 및 기계적 특성 모 공 넓은 높은 표면 영역. SBA 15⁵, 같은 원통형 숨 구멍을가지고 성공 실리 카 재료는 자주 사용 다공성 매트릭스로 촉매에 대 한 그들은 효율적인 촉매 유기 반응^6,7. 자료는 그들의 특성^8,,910에 영향을 미칠 수 있는 방법의 다양 한 합성 수 있습니다. 따라서, 그것은 많은 분야에서 잠재적인 응용 프로그램에 대 한 이러한 메서드를 최적화 하기 위해 중요 한: 전기 화학 장치, 나노기술, 생물 및 의학, 약물 전달 시스템, 또는 접착에 원상. 현재의에서 연구, 두 개의 서로 다른 유형의 성공 구조, 즉 실리 카와 탄소 다공성 행렬 표시 됩니다. 그들의 속성을 비교 SBA 15 행렬 합성 솔-젤 메서드를 사용 하 고 주문된 성공 탄소 재료는 탄소 전 구체와 결과 실리 카 매트릭스의 임신에 의해 준비.

다공성 탄소 재료는 그들의 높은 표면적과 그들의 고유 하 고 잘 정의 된 물리 화학적 특성^6,,1112많은 기기에서 중요 합니다. 일반적인 준비 결과 자료 무작위로 분산된 다공성 및 무질서 구조; 또한 일반 공 매개 변수 변경에 대 한 제한 가능성 고 따라서 상대적으로 광범위 한 기 공 크기 분포와 구조¹³얻을 수 있습니다. 이 가능성 높은 표면 영역 성공 탄소 재료에 대 한 확대 이며 nanopores의 시스템을 주문 합니다. 더 형상과 기 공 공간 안에 물리 화학 프로세스의 제어는 많은 응용 프로그램에서 중요 한 예측: 촉매, 분리 미디어 시스템, 전자 재료, 그리고 많은 과학 분야¹⁴ nanoreactors 고급 ^{, 15}.

다공성 탄소 복제본을 얻으려면 정렬 된 규 산 염 단단한 매트릭스는 탄소 선구자 직접 소개로 작동할 수 있다. 메서드를 여러 단계로 분할 될 수 있다: 정렬 된 실리 카 재료;의 선택 실리 카 매트릭스; 탄소 전조의 증 착 탄 화; 그런 다음, 실리 카 매트릭스의 제거입니다. 이 방법에 의해 탄소 재료의 다양 한 종류를 얻을 수 있습니다 하지만 모든 nonporous 물자 명령된 구조. 과정의 중요 한 요소는 누구의 nanopores¹⁶3 차원 구조 형성 해야 합니다 적당 한 매트릭스의 선택 이다.

이 작품에서는, 합성된 성공 매트릭스의 표면 특성에 기 공 벽의 종류의 영향을 조사. OMC 재료의 표면 특성은 실리 카의 아날로그 (SBA-15) OMC의 표면 특성에 의해 반영 됩니다. 재료 (OMC 및 SBA 15)의 두 종류의 텍스처와 구조 속성 (77 K)에서 낮은 온도 N₂ 흡착/탈 착 측정, 전송 전자 현미경 (TEM), 에너지 분산 x-선 분석 (에 의해 특징 EDX)입니다.

낮은-온도 가스 흡착/탈 착 측정 다공성 재료의 특성 중 가장 중요 한 기술 중 하나입니다. 질소 가스는 고체 adsorbents 강한 상호 작용을 만들는 높은 순도 가능성으로 인해 흡착으로 사용 됩니다. 이 기술의 중요 한 장점은 사용자 친화적인 상용 장비와 상대적으로 쉬운 데이터 처리 절차입니다. 질소 흡착/탈 착 등온선의 결정은 다양 한 압력 (P/P₀)에 77 K에서 고체 흡착 제 표면에 흡착 분자의 축적을 기반으로 합니다. 기 공 크기 분포 실험 흡착 또는 탈 착 등온선에서 계산에 대 한 배 럿, 조 이너, 및 Halenda (BJH) 절차 적용 됩니다. BJH 방법의 가장 중요 한 가정 평면 표면 및 조사 표면에 흡착의 동등한 배급을 포함 한다. 그러나,이 이론은 켈빈 방정식에 근거 하 고 mesoporous 범위의 기 공 크기 분포를 계산 하기 위한 가장 널리 사용 되는 방식으로 남아 있다.

샘플의 전기 화학적 특성을 평가 하는 potentiometric 적정 방법은 적용 됩니다. 재료의 표면 화학 heteroatoms 또는 표면에 기능적인 그룹의 존재와 관련 된 표면 충전에 따라 달라 집니다. 표면 특성은 또한 접촉 각 분석에 의해 조사 됩니다. 모 공 안에 습윤 흡착 흡착 제 상호 작용에 대 한 정보를 제공합니다. 두 샘플에 물 녹는 온도에 벽 거칠기의 영향이 유전 휴식 분광학 (DRS) 기법으로 공부 된다. 유 전체 상수의 측정 액체의 polarizability로 현상 녹는의 조사를 허용 하 고 단단한 단계는 서로 다릅니다. 커패시턴스의 온도 의존의 경사에 있는 변화는 용융 시스템에서 발생 합니다 보여 줍니다.

Protocol

1입니다. OMC 자료의 준비 OMC 전조로 실리 카 매트릭스의 합성 1.6 M HCl의 360 mL 50 mL HCl (36%-38%)를 추가 하 여 준비 500 mL 둥근 바닥 플라스 크와, 초순 (18.2 ㏁ 저항력)의 다음, 추가 310 mL. PE 10500 10 g 추가, 폴리머 (6.500 g/mol). 초음파 목욕에 플라스 크를 놓습니다. 35 ° C에 솔루션을 열 고 고체 폴리머 완전히 녹아 균질 혼합물을 만들기까지 그것을 저 어. <…

Representative Results

OMC와 SBA-15, N2 흡착-탈 착의 조사 샘플의 다공성 구조를 특성화 하기 위해 등온선 77 공화국에서 기록 되었다 실험 N2 가스 흡착-탈 착 등온선 조사 시스템 뿐만 아니라 흡착 및 탈 착 데이터에서 얻은 기 공 크기 분포 (PSD) 특성화 그림 1A-D에 표시 됩니다. 수 착 등온선 (그림 1A, C)에 굴절 ?…

Discussion

정렬된 mesoporous 탄소 재료의 준비 하는 동안 중요 한 단계는 잘 정의 된 구조 속성 최종 재료의 특성에 영향을 주는 서식 파일로 정렬된 mesoporous 실리 카 재료의 준비와 질소 분위기에서 부드럽게/탄 화 단계입니다. mesoporous의 준비의 일반적인 방법의 수정 지시 원통형 모²⁸ 우려 규는 untypical 구조 감독 에이전트는 구조 개선에 대 한 PE10500 고분자의 응용 재료의 속성입니다. 서식 ?…

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