Propriétés de surface de synthèse nanoporeux carbone et silice Matrices

Summary

Nous rapportons ici la synthèse et la caractérisation du carbone nanoporeux commandés (avec une taille de pore nm 4,6) et SBA-15 (avec une taille de pore 5,3 nm). Le travail décrit la surface et propriétés texturales de tamis moléculaires nanoporeux, leur mouillabilité et le comportement de fusion D₂O confiné dans les matériaux.

Abstract

Dans ce travail, nous rapportons la synthèse et la caractérisation de commandé nanoporeux matériau carboné (aussi appelé matériau de carbone mésoporeux ordonnée [MOC]) avec une taille de pore nm 4,6 et matrice poreuse de silice ordonnée, SBA-15, avec une taille de pore 5,3 nm. Cet ouvrage décrit les propriétés de surface du tamis moléculaires nanoporeux, leur mouillabilité, et le comportement de fusion D₂O confiné dans les matériaux poreux ordonnés différemment avec la taille des pores semblables. À cette fin, MOC et SBA-15 avec nanoporeux très ordonnée, les structures sont synthétisés par l’imprégnation de la matrice de silice en appliquant un précurseur de carbone et par la méthode sol-gel, respectivement. La structure poreuse des systèmes étudiés se caractérise par une analyse d’adsorption-désorption₂ N à 77 K. Pour déterminer le caractère électrochimique de la surface des matériaux synthétisés, mesures par titrage potentiométrique sont menées ; les résultats obtenus pour l’OMC montre un changement de_pzc de pH important vers les valeurs les plus élevées du pH, par rapport à SBA-15. Cela suggère que le MOC enquête a propriétés de surface liées à base d’oxygène des groupes fonctionnels. Pour décrire les propriétés de surface des matériaux, les angles de contact de liquides pénétrant les lits poreux étudiés sont aussi déterminés. La méthode de l’ascension capillaire a confirmé la mouillabilité accrue des parois silice relativement au murs de carbone et une influence de la rugosité de pore sur les interactions fluide/mur, qui est beaucoup plus prononcée pour la silice que pour les mesures de carbone. Nous avons également étudié le comportement de fusion D₂O confiné dans la MOC et SBA-15 en appliquant la méthode diélectrique. Les résultats montrent que la dépression de la température de fusion de D₂O dans les pores du MOC est supérieure par rapport à la dépression de la température de fusion en SBA-15 d’environ 15 K pores avec taille comparable 5 nm. Cela est dû à l’influence des interactions adsorbant/adsorbant des matrices étudiées.

Introduction

En 1992, des matériaux nanoporeux ordonnée silice ont été obtenus pour la première fois, à l’aide d’un modèle biologique ; Depuis lors, un grand nombre de publications liées à différents aspects de ces structures, les méthodes de synthèse, l’étude de leurs propriétés, leurs modifications, et différentes applications ont été publiés dans la littérature^{1,2 ,3}. L’intérêt de SBA-15 nanoporeux silice matrice⁴ est en raison de leur qualité unique : une grande surface, large pores avec une répartition porométrique uniforme et de bonnes propriétés chimiques et mécaniques. Matériaux de silice nanoporeux avec pores cylindriques, tels que SBA-15⁵, sont souvent utilisés comme une matrice poreuse pour catalyseurs car ils sont des catalyseurs efficaces dans les réactions organiques^6,7. Le matériel peut être synthétisé avec un large éventail de méthodes qui peuvent influencer leurs caractéristiques^8,9,10. Par conséquent, il est essentiel d’optimiser ces méthodes pour des applications potentielles dans de nombreux domaines : des dispositifs électrochimiques, nanotechnologie, biologie et médecine, drug delivery systems, ou en adhérence et en tribologie. Dans la présente étude, deux types de structures nanoporeux sont présentées, à savoir carbone et silice poreuses matrices. Pour comparer leurs propriétés, la matrice de SBA-15 est synthétisée à l’aide de la méthode sol-gel, et le matériau de carbone nanoporeux ordonnée est préparé par l’imprégnation de la matrice résultante de silice avec un précurseur de carbone.

Matériaux poreux carbone sont importantes dans de nombreux appareils en raison de leur grande surface et leurs propriétés physico-chimiques uniques et bien défini^6,11,12. Préparation typique se traduit par des matériaux ayant une porosité distribuée aléatoirement et une structure désordonnée ; Il y a aussi une possibilité limitée pour que la modification des paramètres généraux pore, et ainsi, des structures avec des distributions de taille relativement larges pores sont obtenus¹³. Cette possibilité est élargie pour les matériaux nanoporeux carbone grande surfaces et commander des systèmes de nanopores. Plus prédit géométrie et plus de contrôle des processus physico-chimiques à l’intérieur de l’espace interstitiel est importante dans de nombreuses applications : comme catalyseurs, systèmes de séparation de médias, matériaux de pointe électroniques et nanoréacteurs dans de nombreux domaines scientifiques^{14 , 15}.

Pour obtenir les répliques de carbone poreux, les silicates ordonnées peuvent agir comme une matrice solide auquel précurseurs de carbone sont introduits directement. La méthode peut être divisée en plusieurs étapes : la sélection du matériau de silice ordonnée ; la déposition d’un précurseur de carbone dans une matrice de silice ; carbonisation ; Ensuite, la suppression de la matrice de silice. Beaucoup de différents types de matières carbonées peut être obtenus par cette méthode, mais pas de tous les matériaux non poreux ont une structure ordonnée. Un élément important du processus est la sélection d’une matrice appropriée dont nanopores doivent former une structure tridimensionnelle stable¹⁶.

Dans ce travail, on étudie l’influence du type de murs de pore sur les propriétés de surface des matrices nanoporeux synthétisées. Les propriétés de surface du matériau de la MOC sont reflétées par les propriétés de surface de la silice analogique (SBA-15) de l’OMC. Les propriétés texturales et structurelles des deux types de matériaux (MOC et SBA-15) sont caractérisées par des mesures d’adsorption/désorption de₂ basse température N (à 77 K), microscopie électronique à transmission (TEM) et énergie dispersive x-Ray () analyse EDX).

Mesure de gaz basse température sur l’adsorption/désorption est une des techniques plus importants lors de la caractérisation des matériaux poreux. Azote gazeux est utilisé comme un adsorbant en raison de sa grande pureté et la possibilité de créer une interaction forte avec les adsorbants solides. Avantages de cette technique sont l’équipement commercial convivial et des procédures de traitement des données relativement faciles. La détermination des isothermes d’adsorption/désorption azote est basée sur l’accumulation des molécules adsorbé sur la surface de l’adsorbant solide à 77 K dans une large gamme de pression (P/P,₀). La procédure Barrett, Joyner et Halenda (BJH) pour le calcul de la répartition porométrique des isothermes d’adsorption ou de désorption expérimentales est appliquée. Les principales hypothèses de la méthode BJH comprennent une surface plane et une répartition homogène de l’adsorbat sur la surface étudiée. Cependant, cette théorie est basée sur l’équation de Kelvin et il reste la manière la plus largement utilisée pour le calcul de la répartition porométrique dans la gamme mésoporeux.

Pour évaluer le caractère électrochimique des échantillons, on procède par une méthode par titrage potentiométrique. La chimie de surface du matériau dépend de la charge de surface liée à la présence d’hétéroatomes ou groupes fonctionnels sur la surface. Les propriétés de surface sont également étudiées par analyse de l’angle de contact. La mouillabilité à l’intérieur des pores fournit des informations sur les interactions de l’adsorbat adsorbant. On étudie l’influence de la rugosité de la paroi sur la température de fusion de l’eau confinée dans les deux échantillons avec la technique de spectroscopie (DRS) de relaxation diélectrique. Mesures de la constante diélectrique permettent l’étude des phénomènes de fusion comme la polarisabilité du liquide et phase solide est différents les uns des autres. Une variation de la pente de la température de la capacitance montre que la fusion se produit dans le système.

Protocol

1. préparation des matériaux MOC Synthèse d’une matrice de silice comme précurseur de l’OMC Préparation de 360 mL de 1,6 M HCl en ajoutant 50 mL de HCl (36-38 %) dans un ballon à fond rond 500 mL et, ensuite, ajoutant 310 mL d’eau ultrapure (résistivité de 18,2 MΩ·cm). À cela, ajouter 10 g de PE 10500 polymère (6.500 g/mol). Placer le ballon dans un bain à ultrasons. Chauffer la solution à 35 ° C et remuez jusqu’à dissolution complète du p…

Representative Results

Afin de caractériser la structure poreuse des échantillons étudiés du MOC et SBA-15, le N2 adsorption-désorption isothermes ont été enregistrés à 77 K. L’expérimental N2 gaz adsorption-désorption isothermes qui caractérisent les systèmes étudiés, ainsi que les distributions de taille de pore (PSD) obtenues à partir des données d’adsorption et de désorption, sont présentés dans la Figure 1 a-D. La …

Discussion

Les étapes critiques lors de la préparation du matériau carbone mésoporeux ordonnée comprennent la préparation des matériaux silice mésoporeuse ordonnée en tant que le modèle avec des propriétés structurales bien définis qui affectent les propriétés des matériaux finales et un étape/carbonisation de trempe sous atmosphère d’azote. La modification de la méthode typique de préparation de la mésoporeux ordonnée silicates avec pores cylindriques²⁸ préoccupations l’applicatio…

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