合成多孔性カーボンとシリカ マトリックスの表面特性

Summary

ここで合成と特性評価 (4.6 nm の細孔径) で順序付けられた多孔性炭素と SBA-15 (5.3 nm の細孔径) と報告します。仕事では、表面とナノポーラス分子ふるいのテクスチャー特性、ぬれ性、D₂O 材料に閉じ込められた溶融挙動をについて説明します。

Abstract

この作業で合成とキャラクタリゼーションを命じたナノポーラス 4.6 nm の細孔サイズと順序付けられたシリカ多孔質炭素材料 (順序付けられたメソポーラス炭素材料 [OMC] とも呼ばれる) は報告 SBA 15、5.3 nm の細孔径を持つ。この作品は、ナノポーラス分子ふるい、ぬれ性の表面のプロパティをについて説明し、D₂O の溶融挙動と同様の細孔径と異なる注文の多孔質材料の限定。この目的のため OMC SBA-15 非常に発注された多孔性構造を持つ合成シリカ マトリックスの含浸による炭素前駆体を適用することによって、ゾル-ゲル法によるそれぞれ。調査システムの多孔質構造は 77 K で N₂吸着脱離分析によって特徴付けられる合成材料の表面の電気化学的性格を決定するには、電位差滴定の実験を行いました。omc カードの結果は、SBA 15 を基準にして、pH の値が大きくなる重要な pH_pzcシフトを示しています。調査 OMC が酸素ベースの機能グループに関連する表面特性を持っていることが示唆されました。材料の表面の特性を記述するには、研究ポーラス ベッドを貫通する液体の接触角も決定されます。毛管上昇方式は、炭素壁に対するシリカの壁の増加の濡れ性と細孔粗さの影響は、メソ孔炭素のよりもシリカの発音ははるか流体/壁相互作用を確認しています。また D₂O OMC と SBA 15 誘電率法を適用することによって閉じ込められた溶融挙動を調べた。結果は、D₂O OMC の細孔内の溶融温度の不況が匹敵する 5 nm サイズで約 15 K SBA 15 で融点のうつ病に対する高い毛穴であることを示します。これは勉強の行列の吸着/吸着相互作用の影響が原因です。

Introduction

1992 年に、順序付けられた多孔性シリカ材料得られた最初に有機テンプレート; を使用してその後、多数の出版物がこれらの構造、合成方法、それらのプロパティの変更の調査のさまざまな側面に関連し、文学^{1,2 でさまざまなアプリケーションが登場しています。 ,3}。SBA 15 多孔性シリカ マトリックス⁴興味は彼らのユニークな品質のため: 広い高表面積、気孔を均一な細孔径分布と良好な化学的および機械的特性。有機反応^6、7の効率的な触媒は、多孔性のマトリックスとして触媒用、SBA 15⁵などの円筒細孔を有する多孔性シリカ材料によってよく使用されます。材料は、その特性^8,9,10に影響を与えることができる方法の広い範囲で合成できます。したがって、それは多くの分野で潜在的なアプリケーションのためのこれらのメソッドを最適化するために重要である: 電気化学デバイス、ナノテクノロジー、生物学、医学、薬物送達システム、または接着とトライボロジー。本研究では、ナノ多孔構造の 2 種類が表示されます、すなわちシリカと炭素多孔性のマトリックス。ゾル-ゲル法を用いた SBA 15 行列を合成、物性を比較して、含浸法による結果のシリカ マトリックスの炭素前駆体注文した多孔性炭素材料を準備します。

多孔性炭素材料は、その高い表面積とそのユニークなと明確に定義された物理化学的性質^6,11,12のため多くの電化製品に重要です。一般的な準備結果材料ランダム気孔率と乱れた構造;一般的な細孔パラメーターの変更のための限られた可能性もある、したがって、比較的広範囲の細孔径分布と構造は¹³が取得されます。この可能性は高い表面積と多孔性炭素材料の拡大し、細孔のシステムを命じた。詳細は幾何学と内部細孔空間物理化学的プロセスのより詳細に制御、多くのアプリケーションで重要な予測: 分離メディア システム、触媒として先端電子材料、多くの科学分野¹⁴ nanoreactors^,15。

多孔性炭素レプリカを得るためには、順序付けられた珪酸塩は炭素前駆体が導入直接固体マトリックスとして機能できます。メソッドは、いくつかの段階に分けることができます: 順序付けられたシリカ材料の選択シリカ マトリックス; 内炭素前駆体の成膜炭化。その後、シリカ マトリックスの除去。この法による炭素材料の多くの異なる種類を得ることができるすべての無孔材料ですが秩序構造。プロセスの重要な要素は、その細孔形成、安定した三次元構造¹⁶適したマトリックスの選択です。

今回、合成多孔性のマトリックスの表面特性に及ぼす細孔壁の種類を調査しました。OMC の材料表面特性は、シリカのアナログ (SBA 15) omc カードの表面のプロパティによって反映されます。低温 N₂吸着/脱離測定 (77 K) で、透過型電子顕微鏡 (TEM) およびエネルギー分散型 x 線分析 (によって特徴付けられる (OMC と SBA 15) 材料の両方の種類のテクスチャおよび構造特性EDX)。

低温ガス吸着/脱離測定は、多孔質材料の特性の中に最も重要な技術の一つです。窒素ガスは、固体吸着剤で強い相互作用を作成するその高純度と可能性のための吸着剤として使用されます。この手法の重要な利点は、使いやすい業務用機器および比較的簡単なデータ処理手順。窒素吸着/脱離等温線の測定は、圧力 (P/P₀) の広い範囲での 77 K における固体吸着剤の表面に吸着した分子の蓄積に基づいています。実験的吸着や脱離等温線から細孔径分布を計算するため Halenda (BJH)、ジョイナー、バレットの手順が適用されます。BJH 法の最も重要な前提条件では、平面サーフェス調査表面吸着分子の均一な分布をご利用など。しかし、この理論はケルビン方程式に基づいてありメソポーラス範囲の細孔径分布を計算するための最も広く使用されている方法はありません。

サンプルの電気化学的特性を評価するには、電位差滴定法を適用します。材料の表面化学は、ヘテロ原子や表面の官能基の存在に関連する表面電荷に依存します。表面性状も、接触角の解析によって調査されます。毛穴の中ぬれは、吸着吸着剤の相互作用に関する情報を提供します。誘電緩和分光 (DRS) 技術と内壁粗さの両方のサンプルに閉じ込められた水の融点に及ぼす影響を検討しました。誘電率の測定は、液体の分極率として融解現象の調査を許可して、固相は互いと異なっています。静電容量の温度依存性の勾配の変化は、溶融は、システムで発生することを示しています。

Protocol

1. OMC 材料の準備 OMC の前駆体としてのシリカ マトリックスの合成 1.6 M HCl の 360 mL 準備塩酸 (36-38%) の 50 mL を追加500 mL 丸底フラスコと、純水 (18.2 MΩ·cm の抵抗) の 310 mL を追加。 PE 10500 の 10 g を追加する、ポリマー (6.500 g/mol)。 超音波風呂にフラスコを配置します。35 ° C への解決策を熱し、混ぜ固体高分子が完全に解散した、均質の混合物を作る?…

Representative Results

OMC と SBA-15、N2吸着・脱離の調査のサンプルの多孔性の構造を特徴付ける等温線は、77 K で記録されました。実験的 N2ガス吸着・脱離等温線吸着と脱着のデータから得られる細孔サイズ分布 (PSD) と同様、調査システムの特性は図 1A-Dで掲載されています。収着等温線 (図 1 a, C) の変曲…

Discussion

注文したメソポーラス炭素材料の準備の間に重要なステップは、最終的な材料の特性に影響を与える明確に定義された構造プロパティを持つテンプレートとして注文したメソポーラスシリカの作製と窒素雰囲気下で焼戻し/炭化ステップ。典型的なメソ多孔体の作製法の変更を命じた円筒細孔²⁸懸念を持つ珪酸塩 PE10500 高分子構造の改善は、典型的でない構造規定剤のアプリ?…

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