Silikat Matrisler ve sentezlenmiş Nanoporous karbon yüzey özellikleri
Summary
Burada malzemelerin ve sipariş edilen nanoporous karbon (4.6 nm gözenek boyutu) olan ve SBA-15 (5.3 nm gözenek boyutu) olan raporu. Çalışma yüzeyi ve nanoporous moleküler elekler dokusal özellikleri, onların wettability ve D2malzemeler sınırlı O erime davranışını açıklar.
Abstract
Bu eser bulunmaktadır sentez ve karakterizasyonu sipariş nanoporous bir 4.6 nm gözenek boyutu ve sipariş edilen silis gözenekli matris, karbon malzeme (sipariş edilen mesoporous karbon malzeme [OMC] olarak da bilinir) rapor SBA-15, 5.3 nm gözenek boyutu. Bu eser nanoporous moleküler elekler, onların wettability yüzey özelliklerini açıklar ve D2O erime davranışını farklı sıralı gözenekli malzeme benzer gözenek boyutları ile sınırlı. Bu amaçla, OMC ve SBA-15 yüksek sıralı nanoporous yapılar ile yolu ile emprenye silis matris karbon habercisi uygulayarak ve sol-jel yöntemi tarafından sırasıyla sentez. İncelenen sistemleri gözenekli yapısı N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analizi, 77 K. ile karakterizedir Sentezlenmiş malzeme yüzeyinin elektrokimyasal karakterini belirlemek için potentiometric titrasyon ölçümleri yapılmaktadır; OMC için elde edilen sonuçlar SBA-15 göre pH daha yüksek değerler yönünde önemli pHpzc değişimi gösterir. Bu incelenen OMC yüzey özelliklerini oksijen tabanlı fonksiyonel gruplarıyla ilişkili olduğunu göstermektedir. Malzemelerin yüzey özellikleri açıklamak için okudu gözenekli yataklar Penetran sıvı temas açılarını da belirlenir. Kapiller yükselişi yöntemi silis duvarlar karbon duvarlar göre artan wettability ve hangi karbon mesopores için silis için çok daha belirgin bir etkisinin gözenek pürüzlülük sıvı/duvar arasındaki etkileşimleri onaylamıştır. D2OMC ve SBA-15 Dielektrik yöntemi uygulayarak sınırlı O erime davranışını da inceledik. Sonuçlar D2O OMC gözeneklerin içinde erime sıcaklığı depresyon 15 K SBA-15 erime sıcaklığı depresyon göre daha yüksek bir karşılaştırılabilir 5 nm boyutu ile gözenekleri olduğunu gösterir. Bu adsorbate/adsorbent etkileşimleri okudu matrislerin etkisi tarafından kaynaklanır.
Introduction
1992’de, ilk kez, organik bir şablonu kullanarak sipariş edilen nanoporous silis malzeme elde edilmiştir; o zamandan beri yayınlar, çok sayıda farklı yönlerini bu yapılar, sentetik yöntemleri, özellikleri, onların değişiklikler incelenmesi ile ilgili ve farklı uygulamaları edebiyat1‘,2 yer aldı ,3. Kendi benzersiz kalitesi nedeniyle SBA-15 nanoporous silika matris4 iyisi: bir Tekdüzen gözenek boyutu dağılımı ve iyi kimyasal ve mekanik özellikleri ile yüksek yüzey alanı, geniş gözenekler. Organik reaksiyonlar6,7verimli katalizörler oldukları gibi Nanoporous silis malzeme SBA-155gibi silindirik gözenekli gözenekli matris genellikle için Katalizörler kullanılır. Malzeme onların özellikleri8,9,10etkileyebilir yöntemleri geniş bir sentez. Bu nedenle, bu yöntemlerin çok alanda potansiyel uygulamalar için optimize etmek önemlidir: elektrokimyasal aygıtları, nanoteknoloji, biyoloji ve tıp, ilaç dağıtım sistemleri, ya da yapışma ve Triboloji. Mevcut çalışma, nanoporous yapıları iki farklı türde, yani silika ve karbon gözenekli matrisler sunulmaktadır. Bunların özelliklerini karşılaştırmak için SBA-15 matrisin sol-jel yöntemiyle sentezlenir ve sipariş edilen nanoporous karbon malzeme elde edilen silis matris emprenye karbon habercisi ile tarafından hazırlanmıştır.
Gözenekli karbon malzemeleri birçok aletleri onların yüksek yüzey alanı ve kendi benzersiz ve iyi tanımlanmış fizikokimyasal özellikleri6,11,12nedeniyle önemlidir. Tipik hazırlık malzemeleri rastgele dağıtılmış porozite ve düzensiz bir yapı ile sonuç; Ayrıca genel gözenek parametreleri değiştirmek için sınırlı bir olasılık, ve böylece, yapıları nispeten geniş gözenek boyutu dağıtımları ile13elde edilir. Bu olasılık için nanoporous karbon malzemeleri yüksek yüzey alanları ile genişletti ve sistemleri nanopores emretti. Daha fazla tahmin geometri ve fizikokimyasal işlemler gözenek alanı içinde daha fazla kontrol birçok uygulamada önemli: katalizör, ayırma medya sistemleri, elektronik malzeme ve nanoreactors, birçok bilimsel alanlar14 gelişmiş , 15.
Gözenekli karbon yinelemeler elde etmek için sıralı Silikatlar karbon öncüleri doğrudan tanıtıldı sağlam bir matris hareket edebilir. Yönteminin çeşitli aşamalarında bölünmüş olabilir: seçim sipariş edilen silis malzeme; bir karbon öncü bir silika matris birikimi; kömürleşme; o zaman, Silis matris kaldırılması. Pluto malzemeler farklı türlerde bu yöntemle elde edilebilir, ama tüm gözeneksiz malzemelerin düzenli bir yapıya sahip. İşleminin önemli bir unsuru olan nanopores bir istikrarlı, üç boyutlu yapısı16oluşturması gerekir uygun bir matris seçimidir.
Bu çalışmada, gözenek duvar tipi sentezlenmiş nanoporous matrisler yüzey özelliklerini üzerinde etkisi araştırıldı. OMC malzemenin yüzey özelliklerini silis analog (SBA-15) OMC, yüzey özellikleri tarafından yansıtılır. Her iki tür malzemeler (OMC ve SBA-15) dokusal ve yapısal özelliklerini düşük sıcaklık N2 adsorpsiyon/desorpsiyon ölçülerde (77 K), transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve enerji dağıtıcı x-ışını analiz () ile karakterizedir EDX).
Düşük sıcaklık gaz adsorpsiyon/desorpsiyon ölçüm gözenekli malzeme karakterizasyon sırasında en önemli teknikleri biridir. Azot gazı yüksek saflığı ve olasılığı nedeniyle bir adsorbate olarak güçlü etkileşim ile katı adsorbents oluşturmak için kullanılır. Bu teknik önemli avantajları kullanıcı dostu depo donatımı ve nispeten kolay veri işleme yordamları vardır. Azot adsorpsiyon/desorpsiyon isotherms belirlenmesi adsorbate molekülleri basınç (P/P0) geniş bir alanda 77 K de katı adsorbent yüzeyinde birikimi temel alır. Gözenek boyutu dağıtıma karşı deneysel adsorpsiyon veya desorpsiyon isotherms hesaplamak için Barrett, Joyner ve Halenda (BJH) prosedür uygulanır. BJH yönteminin en önemli varsayımlar düzlemsel bir yüzeye ve adsorbate incelenen yüzeyinde eşit dağılımı içerir. Ancak, bu teori üzerinde Kelvin denklemi dayanmaktadır ve gözenek boyutu dağıtım mesoporous aralığındaki hesaplamak için en çok kullanılan şekilde kalır.
Elektrokimyasal karakter örnekleri değerlendirmek için bir potentiometric titrasyon yöntemi uygulanır. Malzemenin yüzey kimyası heteroatoms veya fonksiyonel grupların yüzeyi varlığı ile ilgili yüzey şarj bağlıdır. Yüzey özelliklerini de iletişim açı analizi ile incelenmiştir. Gözenekleri içinde wettability adsorbate-adsorbent etkileşimleri hakkında bilgi sağlar. Duvar pürüzlülük etkisi her iki örnekleri sınırlı su erime sıcaklığı Dielektrik gevşeme spektroskopisi (DRS) tekniği ile incelenmiştir. Dielektrik sabiti ölçümleri olayları sıvı polarizability erime soruşturma izin ve katı aşamaları birbirinden farklıdır. Kapasitans sıcaklık bağımlılığının eğimi bir değişiklik erime içinde belgili tanımlık sistem oluştuğunu gösterir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sipariş edilen mesoporous karbon malzeme hazırlanması sırasında kritik adımlar sıralı mesoporous silis malzeme hazırlama son malzemelerin özellikleri etkileyen iyi tanımlanmış yapısal özellikleri ile şablon olarak içerir ve bir Meneviş Fırınları/kömürleşme adım azot atmosferi altında. Mesoporous hazırlanması tipik yöntemi modifikasyonu Silikatlar silindirik gözenekleri28 endişeleri ile yapısal geliştirilmesi için PE10500 polimer untypical bir yapısı yönetmenlik…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Ulusal Merkezi verme ile mali destek sağlamak için bilim teşekkür etmek istiyorum yok. DEC-2013/09/B/ST4/03711 ve UMO-2016/22/ST4/00092. Yazarlar da Polonya operasyonel Program İnsan sermayesi PO KL 4.1.1, de kısmi destek için minnettar tarihinden itibaren Ulusal Merkezi araştırma ve geliştirme, araştırma altında vermek yok. PBS1/A9/13/2012. Yazarlar özellikle, onun iyilik ve SBA-15 nanopores wettability ölçümleri sağlayan Prof. Dr. L. Hołysz Interfacial olaylar bölümü, kimya Fakültesi, Maria Curie-Skłodowska Üniversitesi, Lublin, Polonya için minnettarız.
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 |
References
- Tao, Y., Kanoh, H., Abrams, L., Kaneko, K. Mesopore-Modified Zeolites: Preparation, Characterization, and Applications. Chemical Reviews. , 896-910 (2006).
- Wan, Y., Zhao, D. On the Controllable Soft-Templating Approach to Mesoporous Silicates. Chemical Reviews. 107, 2821-2860 (2007).
- Khder, A. E. S., Hassan, H. M. A., El-Shall, M. S. Acid catalyzed organic transformations by heteropolytungstophosphoric acid supported on MCM-41. Applied Catalysis A. 411, 77-86 (2012).
- Zhao, D. D., et al. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores. Science. 279, 548-552 (1998).
- Linssen, T., Cassiers, K., Cool, P., Vansant, E. Mesoporous templated silicates: an overview of their synthesis, catalytic activation and evaluation of the stability. Advances in Colloid and Interface Science. 103, 121-147 (2003).
- Eftekhari, A., Fan, Z. Ordered mesoporous carbon and its applications for electrochemical energy storage and conversion. Materials Chemistry Frontiers. 1, 1001-1027 (2017).
- Sing, K. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids and Surfaces A. 241, 3-7 (2004).
- Huo, Q., Margolese, D. I. Generalized synthesis of periodic surfactant/inorganic composite materials. Nature. 368, 317-321 (1994).
- Selvaraj, M., Kawi, S., Park, D. W., Ha, C. S. Synthesis and characterization of GaSBA-15: Effect of synthesis parameters and hydrothermal stability. Microporous and Mesoporous Materials. , 586-595 (2009).
- Leonard, A., et al. Toward a better control of internal structure and external morphology of mesoporous silicas synthesized using a nonionic surfactant. Langmuir. 19, 5484-5490 (2003).
- Liang, C., Li, Z., Dai, S. Mesoporous Carbon Materials: Synthesis and Modification. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3696-3717 (2008).
- Babić, B., et al. New mesoporous carbon materials synthesized by a templating procedure. Ceramics International. 39 (4), 4035-4043 (2013).
- Allen, S. J., Whitten, L., Mckay, G. The Production and Characterization of Activated Carbons: A Review. Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing. 6, 231-261 (1998).
- Kwak, G., et al. Preparation Method of Co3O4 Nanoparticles Using Ordered Mesoporous Carbons as a Template and Their Application for Fischer-Tropsch Synthesis. The Journal of Physical Chemistry C. 117 (4), 1773-1779 (2013).
- Koo, H. M., et al. Effect of the ordered meso-macroporous structure of Co/SiO2 on the enhanced activity of hydrogenation of CO to hydrocarbons. Catalysis Science and Technology. 6, 4221-4231 (2016).
- Jun, S., Joo, S. H., Ryoo, R., Kruk, M., Jaroniec, M. Synthesis of New, Nanoporous Carbon with Hexagonally Ordered Mesostructure. Journal of the American Chemical Society. 122 (43), 10712-10713 (2000).
- Washburn, E. W. The dynamics of capillary flow. Physical Review Series2. 17, 273 (1921).
- Śliwińska-Bartkowiak, M., Sterczyńska, A., Long, Y., Gubbins, K. E. Influence of Microroughness on the Wetting Properties of Nano-Porous Silica Matrices. Molecular Physics. 112, 2365-2371 (2014).
- Śliwińska-Bartkowiak, M., et al. Melting/freezing behavior of a fluid confined in porous glasses and MCM-41: dielectric spectroscopy and molecular simulation. Journal of Chemical Physics. 114, 950-962 (2001).
- Coasne, B., Czwartos, J., Śliwińska-Bartkowiak, M., Gubbins, K. E. Freezing of mixtures confined in silica nanopores: experiment and molecular simulation. Journal of Chemical Physics. 133, 084701-084709 (2010).
- Chełkowski, A. . Dielectric Physics. , (1990).
- Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Global phase diagrams for freezing in porous media. Journal of Chemical Physics. 116, 1147-1155 (2002).
- Gubbins, K. E., Long, Y., Śliwińska-Bartkowiak, M. Thermodynamics of confined nano-phases. Journal of Chemical Thermodynamics. 74, 169-183 (2014).
- Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Effect of the fluid-wall interaction on freezing of confined fluids: Toward the development of a global phase diagram. Journal of Chemical Physics. 112, 11048 (2000).
- Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Transactions of the Faraday Society. 40, 546 (1944).
- Sing, K. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76, 3-11 (1998).
- Sing, K. The use of nitrogen adsorption for the characterisation of porous materials. Colloids and Surfaces A. 187, 3-9 (2001).
- Yu, C., Fan, J., Tian, B., Zhao, D. Morphology Development of Mesoporous Materials: a Colloidal Phase Separation Mechanism. Chemistry of Materials. 16 (5), 889-898 (2004).
- Liu, D., et al. Enhancement of Electrochemical Hydrogen Insertion in N-Doped Highly Ordered Mesoporous Carbon. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (5), 2370-2374 (2014).
- Choi, W. C., et al. Platinum Nanoclusters Studded in the Microporous Nanowalls of Ordered Mesoporous Carbon. Advanced Materials. 17, 446-451 (2005).
- Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. . Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Application. , (1999).
- Gregg, S. J., Sing, K. S. W. . Adsorption, Surface Area and Porosity. , (1982).
- Llewellyn, P. L., Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. S. W., Unger, K. K., Kreysa, G., Baselt, J. P. Critical appraisal of the use of nitrogen adsorption for the characterization of porous carbons. Characterization of Porous Solids V. , 421-427 (2000).
- Sing, K. S. W. The use of gas adsorption for the characterization of porous solids. Colloids and Surfaces. 38, 113-124 (1989).
- Rouquerol, J. Recommendations for the characterization of porous solids. Pure & Applied Chemistry. 66, 1739-1758 (1994).
- Marega, C. A direct SAXS approach for the determination of specific surface area of clay in polymer-layered silicate nanocomposites. The Journal of Physical Chemistry B. 116, 7596-7602 (2012).
- Tsao, C. S., et al. Neutron Scattering Methodology for Absolute Measurement of Room-Temperature Hydrogen Storage Capacity and Evidence for Spillover Effect in a Pt-Doped Activated Carbon. The Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 1569-1573 (2010).
- Mattson, J. S., Mark, H. B. . Activated Carbon: Surface Chemistry and Adsorption from Solution. , (1971).
- László, K., Szucs, A. Surface characterization of polyethyleneterephthalate (PET) based activated carbon and the effect of pH on its adsorption capacity from aqueous phenol and 2,3,4-trichlorophenol solutions. Carbon. 39, 1945-1953 (2001).
- Garten, V. A., Weiss, D. E., Willis, J. B. A new interpretation of the acidic and basic structures in carbons. Australian Journal of Chemistry. 10, 309-328 (1957).
- Boehm, H. P. Surface oxides on carbon and their analysis: A critical assessment. Carbon. 40, 145-149 (2002).
- Menendez, J. A., Phillips, J., Xia, B., Radovic, L. R. On the modification and characterization of chemical surface properties of activated carbon: In the search of carbons with stable basic properties. Langmuir. 12, 4404-4410 (1996).
