Oppervlakte-eigenschappen van gesynthetiseerde nanoporeuze koolstof en siliciumdioxide Matrices

Summary

Wij rapporteren hier de synthese en de karakterisering van de bestelde Nanoporeuze koolstof (met een 4.6 poriegrootte van nm) en de SBA-15 (met een 5.3 poriegrootte van nm). Het werk beschrijft het oppervlak en textuur eigenschappen van moleculaire zeven nanoporeuze, hun bevochtigbaarheid en het smeltende gedrag van D₂O beperkt in de materialen.

Abstract

In dit werk, rapporteren we de synthese en de karakterisering van besteld nanoporeuze carbon materiaal (ook wel bestelde mesoporous carbon materiaal [OCM]) met 4.6 nm poriegrootte en geordende silica poreuze matrix, SBA-15, met een 5.3 poriegrootte van nm. Dit werk beschrijft de oppervlakte-eigenschappen van nanoporeuze moleculaire zeef, hun bevochtigbaarheid, en het smeltende gedrag van D₂O beperkt in de anders bestelde poreuze materialen met soortgelijke porie-grootte. Voor dit doel, OMC en SBA-15 met zeer geordende nanoporeuze structuren zijn gesynthetiseerd via impregneren van de silica matrix door een voorloper van de koolstof toe te passen en door de methode van de sol-gel, respectievelijk. De poreuze structuur van onderzochte systemen wordt gekenmerkt door een N₂ adsorptie / desorptie analyse op 77 K. Om te bepalen de elektrochemische karakter van het oppervlak van samengestelde materialen, worden potentiometrische titratie metingen verricht; de verkregen resultaten voor OMC toont een aanzienlijke pH_pzc verschuiving naar de hogere waarden van pH, ten opzichte van de SBA-15. Dit suggereert dat onderzochte OCM oppervlakte-eigenschappen gerelateerd aan zuurstof gebaseerde functionele groepen heeft. Om te beschrijven de oppervlakte-eigenschappen van de materialen, worden de contacthoeken van vloeistoffen doordringing van de bestudeerde poreuze bedden ook bepaald. De capillaire methode heeft bevestigd dat de verhoogde spuitbaarheid van de muren van de silica ten opzichte van de koolstof-muren en een invloed van de ruwheid van de porie op de vloeistof/muur interacties, die veel meer voor silica dan voor koolstof mesopores uitgesproken is. Wij hebben ook het smeltende gedrag van D₂O beperkt in de OCM en SBA-15 door toepassing van de diëlektrische methode bestudeerd. Uit de resultaten blijkt dat de depressie van de smelttemperatuur van D₂O in de poriën van de OCM is ongeveer 15 K hoger ten opzichte van de depressie van de smelttemperatuur van SBA-15 poriën met een vergelijkbare omvang voor 5 nm. Dit wordt veroorzaakt door de invloed van adsorbate/absorberend interacties van de bestudeerde matrices.

Introduction

In 1992, werden geordende nanoporeuze silica materialen verkregen voor de eerste keer, met behulp van een organische sjabloon; sindsdien een groot aantal publicaties gerelateerd aan verschillende aspecten van deze structuren, synthetische methoden, het onderzoek van hun eigenschappen, hun wijzigingen, en verschillende toepassingen zijn verschenen in de literatuur^{1,2 ,3}. De belangstelling voor SBA-15 nanoporeuze silica matrix⁴ is te wijten aan hun unieke kwaliteit: een hoge oppervlakte, grote poriën met een uniforme porie-grootte distributie en goede chemische en mechanische eigenschappen. Nanoporeuze silica materialen met cilindrische poriën, zoals SBA-15⁵, worden vaak gebruikt als een poreuze matrix voor katalysatoren zoals ze efficiënte katalysatoren in organische reacties^{6,7 zijn}. Het materiaal kan worden gesynthetiseerd met een breed scala aan methoden die invloed op hun kenmerken^{8,9,10 hebben kan}. Daarom is het cruciaal voor het optimaliseren van deze methoden voor potentiële toepassingen op tal van terreinen: elektrochemische apparaten, nanotechnologie, de biologie en de geneeskunde, drug delivery systems, of in de hechting en tribologie. In de huidige studie, twee verschillende soorten nanoporeuze structuren worden gepresenteerd, namelijk silica en koolstof poreuze matrices. Om te vergelijken hun eigenschappen, is de SBA-15 matrix gesynthetiseerd met behulp van de methode van de sol-gel en het bestelde Nanoporeuze carbon materiaal wordt bereid door de bevruchting van de resulterende matrix van siliciumdioxide met een voorloper van de koolstof.

Poreuze carbon materialen zijn belangrijk in vele toestellen vanwege hun hoge oppervlakte en hun fysisch-chemische eigenschappen van de unieke en welomschreven^6,11,12. Typische voorbereiding resulteert in materialen met willekeurig verdeelde porositeit en een ongeordende structuur; Er is ook een beperkte mogelijkheid voor de wijziging van de algemene porie-parameters, en dus de structuren met relatief brede porie grootte distributies¹³worden verkregen. Deze mogelijkheid is verbreed voor nanoporeuze carbon materialen met hoge oppervlakten en systemen van de nanopores besteld. Meer voorspeld geometrie en meer controle over de fysisch-chemische processen binnen de porie-ruimte zijn belangrijk in vele toepassingen: als katalysatoren, scheiding mediasystemen, geavanceerde elektronische materialen, en nanoreactors in vele wetenschappelijke gebieden^{14 , 15}.

Voor het verkrijgen van de poreuze koolstof replica’s, kunnen de bestelde silicaten fungeren als een solide matrix waarnaar koolstof precursoren rechtstreeks worden ingevoerd. De methode kan worden onderverdeeld in verschillende fasen: de selectie van bestelde silica materiaal; de afzetting van een voorloper van de koolstof in een silica-matrix; carbonisatie; vervolgens, de verwijdering van de silica-matrix. Veel verschillende soorten koolstofhoudende materialen kunnen worden verkregen door deze methode, maar niet alle nonporous materialen hebben een geordende structuur. Een belangrijk element van het proces is de selectie van een geschikte matrix waarvan nanopores moet een stabiele, driedimensionale structuur¹⁶vormen.

In dit werk, wordt de invloed van het soort porie muren op de oppervlakte-eigenschappen van gesynthetiseerde nanoporeuze matrices onderzocht. De oppervlakte-eigenschappen van de OCM materiaal worden weerspiegeld door de oppervlakte-eigenschappen van silica analoge (SBA-15) van de OCM. De textuur en structurele eigenschappen van beide soorten materialen (OCM en SBA-15) worden gekenmerkt door lage temperatuur N₂ adsorptie/desorptie metingen (bij 77 K), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en energie dispersieve x-stralen analyse) EDX).

Lage-temperatuur gasmeting adsorptie/desorptie is een van de belangrijkste technieken tijdens de karakterisatie van poreuze materialen. Stikstofgas wordt gebruikt als een adsorbate vanwege de hoge zuiverheid en de mogelijkheid om te maken een sterke wisselwerking met vaste adsorbents. Belangrijke voordelen van deze techniek zijn de gebruiksvriendelijke commerciële apparatuur en relatief eenvoudig gegevensverwerking procedures. De bepaling van stikstof adsorptie/desorptie-isothermen is gebaseerd op de accumulatie van de moleculen van de adsorbate op het oppervlak van solide absorberend bij het 77 K in een breed scala van druk (P/P₀). De procedure van het Barrett, Joyner en Halenda (BJH) voor de berekening van de grootteverdeling van de porie van experimentele adsorptie- of desorptie-isothermen wordt toegepast. De belangrijkste uitgangspunten van de BJH-methode omvatten een vlakke oppervlak en een gelijkmatige verdeling van de adsorbate op het onderzochte oppervlak. Echter deze theorie is gebaseerd op de vergelijking van Kelvin en blijft de meest gebruikte manier voor het berekenen van de grootteverdeling van de porie in het bereik van de mesoporous.

Om te beoordelen de elektrochemische karakter van de monsters, wordt de methode van een potentiometrische titratie toegepast. De Oppervlaktechemie van het materiaal hangt af van de oppervlakte kosten die verband houden met de aanwezigheid van heteroatomen of functionele groepen op het oppervlak. De oppervlakte-eigenschappen worden ook door contacthoek analyse onderzocht. De spuitbaarheid in de poriën bevat informatie over de adsorbate-absorberend interacties. De invloed van de ruwheid van de muur op de smelttemperatuur van het water beperkt in beide monsters wordt bestudeerd met de ontspanning van de diëlektrische spectroscopie (DRS) techniek. Metingen van de diëlektrische constante toestaan dat het onderzoek van het smelten van verschijnselen als de polarizability van de vloeistof en vaste fasen zijn verschillend van elkaar. Een verandering in de helling van de temperatuursafhankelijkheid van de capaciteit toont dat smelten treedt op in het systeem.

Protocol

1. bereiding van de OCM-materialen Synthese van een matrix van siliciumdioxide als voorloper van de OCM Bereiden van 360 mL van 1.6 M HCl door toevoeging van 50 mL HCL (36% – 38%) in een 500 mL-Rondbodemkolf en, vervolgens, toe te voegen 310 mL ultrazuiver water (soortelijke weerstand van 18.2 MΩ·cm). Voeg 10 g PE 10500, polymeer (6.500 g/mol). Plaats de kolf in een ultrasoonbad. Verwarm de oplossing tot 35 ° C en roer het tot het vaste polymeer volledig is o…

Representative Results

Karakteriseren de poreuze structuur van de onderzochte monsters van de OCM en SBA-15, de N2 adsorptie / desorptie werden isothermen opgenomen in de 77 K. De experimentele N2 gas adsorptie / desorptie-isothermen karakterisering van de onderzochte systemen, evenals de porie grootte distributies (PSD) verkregen uit de adsorptie en desorptie gegevens, worden gepresenteerd in figuur 1A-D. De positie van de buigpunten op de so…

Discussion

De kritische stappen tijdens de voorbereiding van de bestelde mesoporous carbon materiaal omvatten de voorbereiding van de bestelde mesoporous silica materialen als de sjabloon met duidelijk afgebakende structurele eigenschappen die invloed hebben op de eigenschappen van de laatste materialen en een ontlaten/verkoling stap onder een atmosfeer van stikstof. De wijziging van de typische wijze van voorbereiding van de mesoporous besteld silicaten met cilindrische poriën²⁸ betreft de toepassing van e…

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