Facillforberedelse av ultrafine aluminiumhydroksidpartikler med eller uten mesoporøs MCM-41 i omgivende miljøer
Summary
En ultrafine aluminiumhydroksydnanopartikkel-suspensjon ble fremstilt via den kontrollerte titrering av [Al (H20)] 3+ med L-arginin til pH 4,6 med og uten burdeffektiv inneslutning i mesoporøse kanaler av MCM-41.
Abstract
En vandig suspensjon av nanogibbsite ble syntetisert ved titrering av aluminiumsvandsyre [Al (H20) 6 ] 3+ med L-arginin til pH 4,6. Siden hydrolysen av vandige aluminiumsalter er kjent for å produsere et bredt utvalg av produkter med et bredt spekter av størrelsesfordeler, en rekke toppmoderne instrumenter ( dvs. 27Al / 1H NMR, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD og BET) ble brukt til å karakterisere synteseproduktene og identifisering av biprodukter. Produktet, som bestod av nanopartikler (10-30 nm), ble isolert ved bruk av gelpermeasjonskromatografi (GPC) -kolonne-teknikk. Fouriertransform infrarød (FTIR) spektroskopi og pulverrøntgendiffraksjon (PXRD) identifiserte det rensede materialet som gibbsite-polymorf av aluminiumhydroksyd. Tilsetningen av uorganiske salter ( f.eks . NaCl) indusert elektrostatisk destabilisering av suspensjonen, og derved agglomererer nanopartikler til yieLd Al (OH) 3 utfelling med store partikkelstørrelser. Ved å benytte den nye syntetiske metode som er beskrevet her, ble Al (OH) 3 delvis lastet inne i det høyt bestilte mesoporøse rammeverket av MCM-41, med gjennomsnittlige poremått på 2,7 nm, og fremstilt et aluminosilikatmateriale med både oktaedriske og tetraedrale Al (Oh / T d = 1,4). Total Al-innhold, målt ved hjelp av energidispergerende røntgenspektrometri (EDX), var 11% vekt / vekt med et Si / Al molforhold på 2,9. En sammenligning av bulk EDX med overflate røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) elementanalyse ga innsikt i fordelingen av Al innenfor aluminosilikatmaterialet. Videre ble et høyere forhold Si / Al observert på den ytre overflaten (3.6) i forhold til bulk (2,9). Tilnærminger av O / Al-forhold antyder en høyere konsentrasjon av Al (O) 3 og Al (O) 4 grupper nær henholdsvis kjerne og ytre overflate. Den nyutviklede syntesen av Al-MCM-41 gir en reLivlig høy Al-innhold, samtidig som det opprettholdes integriteten til det bestilte silikamaterialet og kan brukes til anvendelser hvor hydriserte eller vannfrie Al203 nanopartikler er fordelaktige.
Introduction
Materialer laget av aluminiumhydroksid er lovende kandidater for en rekke industrielle anvendelser, inkludert katalyse, legemidler, vannbehandling og kosmetikk. 1 , 2 , 3 , 4 Ved forhøyede temperaturer absorberer aluminiumhydroksyd en betydelig mengde varme under dekomponering for å gi alumina (Al203), noe som gjør det til et nyttig flammehemmende middel. 5 De fire kjente polymorfene av aluminiumhydroksid ( dvs. gibbsite, bayerite, nordstrandite og doyleitt) er blitt undersøkt ved hjelp av beregningsmessige og eksperimentelle teknikker for å forbedre forståelsen av formasjonen og strukturer derav 6 . Fremstillingen av nanoskala partikler er av særlig interesse på grunn av deres potensial til å utvise kvanteffekter og egenskaper som er forskjellige fra deiR bulk kolleger. Nanogibbsite partikler med dimensjoner i størrelsesorden 100 nm fremstilles lett under forskjellige forhold 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .
Å overvinne inneboende utfordringer forbundet med å redusere partikkelstørrelsene ytterligere er vanskelig; Derfor eksisterer bare noen få tilfeller hvor nanogibbsite-partikler har dimensjoner i størrelsesorden 50 nm. 14 , 15 , 16 , 17 Så langt vi vet, har det ikke vært rapporter om nanogibbsite partikler mindre enn 50 nm. Til dels skyldes dette at nanopartikler har en tendens til å agglomerere på grunn av elektrostatisk ustabilitetOg høy sannsynlighet for dannelse av hydrogenbindinger mellom kolloidale partikler, spesielt i polare protiske løsningsmidler. Vårt mål var å syntetisere små Al (OH) 3 nanopartikler ved bruk av utelukkende sikre ingredienser og forløpere. I det nåværende arbeid ble vannig partikkelaggregasjon hemmet ved å inkorporere en aminosyre ( dvs. L-arginin) som en buffer og stabilisator. Videre er det rapportert at den guanidiniumholdige arginin forhindret aluminiumhydroksydpartikkelvekst og aggregering for å gi en vandig kolloidal suspensjon med gjennomsnittlige partikkelstørrelser på 10-30 nm. Det foreslås her at de amfotere og zwitterioniske egenskapene til arginin mildret overfladeladningen av aluminiumhydroksydnanopartikler under den milde hydrolyse for å disfavor partikkelvekst utover 30 nm. Selv om arginin ikke var i stand til å redusere partikkelstørrelsen under 10 nm, ble slike partikler oppnådd ved å utnytte "burets" inneslutningseffektHin mesoporene til MCM-41. Karakterisering av Al-MCM-41 komposittmaterialet avslørte ultrafine aluminiumhydroksydnanopartikler innen mesoporøs silika, som har en gjennomsnittlig porestørrelse på 2,7 nm.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fremstillingen av en vandig aluminiumkloridoppløsning innebar bruken av et krystallinsk heksahydratsalt av aluminiumklorid. Selv om den vannfrie form kan også brukes, er den ikke foretrukket på grunn av dens betydelige hygroskopiske egenskaper som gjør det vanskelig å arbeide med og for å kontrollere konsentrasjonen av aluminium. Det er bemerkelsesverdig at aluminiumkloridoppløsningen skal brukes innen flere dager med preparering fordi over tid hydrolyserer [Al (H2O) 6 ] 3 + vannsyre for å …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne utvider sin takknemlighet til Dr. Thomas J. Emge og Wei Liu fra Rutgers University for deres analyse og ekspertise i vinkelrøntgendiffraksjon og pulverrøntgendiffraksjon. Videre anerkjenner forfatterne Hao Wang for sin støtte med N 2 adsorpsjonseksperimenter.
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 |
References
- Laden, K. . Antiperspirants and Deodorants. , (1999).
- Kumara, C. K., Ng, W. J., Bandara, A., Weerasooriya, R. Nanogibbsite: Synthesis and characterization. J. Colloid Interface Sci. 352 (2), 252-258 (2010).
- Demichelis, R., Noel, Y., Ugliengo, P., Zicovich-Wilson, C. M., Dovesi, R. Physico-Chemical Features of Aluminum Hydroxides As Modeled with the Hybrid B3LYP Functional and Localized Basis Functions. J.Phys. Chem. C. 115 (27), 13107-13134 (2011).
- Elderfield, H., Hem, J. D. The development of crystalline structure in aluminum hydroxide polymorphs on ageing. Mineral. Mag. 39, 89-96 (1973).
- Wang, S. L., Johnston, C. T. Assignment of the structural OH stretching bands of gibbsite. Am. Mineral. 85, 739-744 (2000).
- Balan, E., Lazzer, M., Morin, G., Mauri, F. First-principles study of the OH-stretching modes of gibbsite. Am. Mineral. 91 (1), 115-119 (2006).
- Scherrer, P. Bestimmung der Grosse und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen . Gottingen. 26, 98-100 (1918).
- Langford, J. I., Wilson, A. J. C. Scherrer after sixty years: a survey and some new results in the determination of crystallite size. J. Appl. Cryst. 11 (2), 102-113 (1978).
- Swaddle, T. W., et al. Kinetic Evidence for Five-Coordination in AlOH(aq)2+ Ion. Science. 308 (5727), 1450-1453 (2005).
- Casey, W. H. Large Aqueous Aluminum Hydroxide Molecules. Chem. Rev. 106 (1), 1-16 (2006).
- Lutzenkirchen, J., et al. Adsorption of Al13-Keggin clusters to sapphire c-plane single crystals: Kinetic observations by streaming current measurements. Appl. Surf. Sci. 256 (17), 5406-5411 (2010).
- Mokaya, R., Jones, W. Efficient post-synthesis alumination of MCM-41 using aluminum chlorohydrate containing Al polycations. J. Mater. Chem. 9 (2), 555-561 (1999).
- Brunauer, S., Deming, L. S., Deming, W. E., Teller, E. On a Theory of the van der Waals adsorption of gases. J. Am. Chem. Soc. 62 (7), 1723-1732 (1940).
- Kresge, C. T., Leonowicz, M. E., Roth, W. J., Vartuli, J. C., Beck, J. S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature. 359 (6397), 710-712 (1992).
- Zeng, Q., Nekvasil, H., Grey, C. P. Proton Environments in Hydrous Aluminosilicate Glasses: A 1H MAS, 1H/27Al, and 1H/23Na TRAPDOR NMR Study. J. Phys. Chem. B. 103 (35), 7406-7415 (1999).
- Kao, H. M., Grey, C. P. Probing the Bronsted and Lewis acidity of zeolite HY: A 1H/27Al and 15N/27Al TRAPDOOR NMR study of mono-methylamine adsorbed on HY. J. Phys. Chem. 100 (12), 5105-5117 (1996).
- DeCanio, E. C., Edwards, J. C., Bruno, J. W. Solid-state 1H MAS NMR characterization of γ-alumina and modified γ-aluminas. J. Catal. 148 (1), 76-83 (1994).
- Shafran, K. L., Deschaume, O., Perry, C. C. The static anion exchange method for generation of high purity aluminium polyoxocations and monodisperse aluminum hydroxide nanoparticles. J. Mater. Chem. 15 (33), 3415-3423 (2005).
- Vogels, R. J. M. J., Kloprogge, J. T., Geus, J. W. Homogeneous forced hydrolysis of aluminum through the thermal decomposition of urea. J. Colloid Interface Sci. 285 (1), 86-93 (2005).
