تصنيع واختبار أيروجيلس الحفاز أعدت عن طريق استخراج فوق الحرجة السريع
Summary
نقدم هنا البروتوكولات لإعداد واختبار أيروجيلس الحفاز بإدراج الأنواع المعدنية في منصات وتستطي السليكا واﻷلومينا. أساليب لإعداد المواد باستخدام النحاس أملاح وهي واردة جسيمات نانوية المحتوية على النحاس. حفاز بروتوكولات اختبار إثبات فعالية هذه أيروجيلس لتطبيقات الحفز الثلاثية.
Abstract
يتم عرض البروتوكولات لإعداد واختبار أيروجيلس الحفاز بإدراج الأنواع المعدنية في منصات وتستطي السليكا واﻷلومينا. ويرد وصف أساليب إعداد ثلاثة: (أ) إدراج معدنية أملاح في الهلام الرطب السليكا أو الألومينا باستخدام أسلوب التلقيح؛ (ب) إدراج معدنية أملاح في الهلام الرطب الألومينا باستخدام أسلوب سلائف المشارك؛ و (ج) إضافة جسيمات نانوية المعدنية مباشرة في خليط سلائف وتستطي والسليكا. استخدام الأساليب صحفي ساخن هيدروليكية، الذي يسمح بسرعة (< ح 6) استخراج فوق الحرجة والنتائج في أيروجيلس ذات الكثافة السكانية المنخفضة (0.10 g/mL) ومساحة سطح عالية (200-800 م2/g). النهج حين قدم العمل هنا يركز على استخدام أملاح النحاس والنحاس الجسيمات النانوية، يمكن تنفيذها باستخدام الأملاح المعدنية وجسيمات نانوية أخرى. ويرد أيضا على بروتوكول لاختبار قدرة هذه أيروجيلس للتخفيف من آثار التلوث السيارات حفاز ثلاثي. ويستخدم هذا الأسلوب مبنية خصيصا المعدات، الاتحاد الحفاز منها (فلاتة)، الذي هو خليط عادم محاكاة مر عينة وتستطي في درجة حرارة مضبوطة ومعدل التدفق. النظام قادر على قياس قدرة أيروجيلس الحفاز، تحت كل المؤكسدة، والحد من الظروف، لتحويل أول أكسيد الكربون، لا وغير المحترقة الهيدروكربونات (HCs) لأقل الأنواع الضارة (CO2، ح2س ون2). وترد نتائج المثال الحفاز أيروجيلس ووصف.
Introduction
وقد أيروجيلس القائم على السليكا والألومنيوم خصائص رائعة، بما في ذلك ذات الكثافة السكانية المنخفضة والمساحة السطحية العالية، الثبات الحراري جيدة وعالية المسامية ناقلية حرارية منخفضة1. هذه الخصائص تجعل المواد وتستطي جذابة لمجموعة متنوعة من التطبيقات1،2. تطبيق واحد أن يستغل بالثبات الحراري وارتفاع المساحة السطحية من أيروجيلس هو الحفز غير المتجانسة؛ عدة مقالات استعراض الأدبيات في هذا المجال2،3،،من45. هناك الكثير من النهج لتصنيع المواد الحفازة وتستطي القائم، بما في ذلك إدماج أو فخ الأنواع الحفاز في الإطار من السليكا أو الألومينا وتستطي5،،من67، 8،9،،من1011. هذا العمل يركز على البروتوكولات الخاصة بإعداد عن طريق استخراج السريع فوق الحرجة (رسسي) واختبار المواد وتستطي للتخفيف من آثار التلوث السيارات الحفاز، ويستخدم أيروجيلس المحتوية على النحاس كأمثلة.
ثلاثة عوامل حفازة (وجوب) يعملون عادة في معدات التخفيف من التلوث ل محركات البنزين12. وجوب الحديثة تحتوي على البلاتين والبلاديوم والروديوم، معادن مجموعة البلاتين (PGMs) التي نادرة، ومن ثم، باهظة الثمن ومكلفة بيئياً للحصول على. وسيكون حافز المواد استناداً إلى المعادن متاحة بسهولة أكبر مزايا اقتصادية وبيئية كبيرة.
يمكن إعداد أيروجيلس من المواد الهلامية الرطب باستخدام مجموعة متنوعة من أساليب1. ويهدف إلى تجنب انهيار المسام كما تتم إزالة المذيبات من الجل. العملية المستخدمة في هذا البروتوكول هو طريقة سريعة استخراج فوق الحرجة (رسسي) التي يحدث فيها الاستخراج من جل محصورة داخل قالب معدني في الصحافة ساخنة هيدروليكية لبرمجة13،،من1415، 16. تم استخدام هذه العملية رسسي لتصنيع كتل وتستطي السليكا أثبت سابقا في بروتوكول17، الذي شدد على الوقت القصير نسبيا إعداد المقترنة مع هذا النهج. استخراج2 CO فوق الحرجة هو نهج أكثر شيوعاً، ولكن يستغرق وقتاً أطول ويتطلب استخدام المذيبات (بما في ذلك CO2) أكبر من رسسي. مجموعات أخرى وقد نشرت مؤخرا البروتوكولات لإعداد مجموعة متنوعة من أنواع أيروجيلس الاستفادة من فوق الحرجة CO2 استخراج18،،من1920.
وترد هنا، بروتوكولات لاختلاق وأمواله اختبار مجموعة متنوعة من أنواع أيروجيلس الحفازة التي تحتوي على النحاس. يستند الحد لا ومرتبة النشاط أكسدة أول أكسيد الكربون من المواد الحفازة المعادن الأساسية المدعومة من الكربون تحت ظروف من الفائدة للتخفيف من آثار التلوث السيارات المقدمة من كابتيجن et al. واختير 21، النحاس المعدن الحافز لهذا العمل. وتشمل النهج تلفيق (أ) التشريب (IMP) أملاح النحاس إلى شركة ألومينا أو السليكا الجل الرطب11، (ب) استخدام أملاح الألومنيوم والنحاس الثنائي كسلائف المشارك (Co-P) عند افتعال6،أيروجيلس النحاس والألومنيا22، و (ج) entrapping جسيمات نانوية المحتوية على النحاس في مصفوفة وتستطي السليكا أثناء تصنيع10. في كل حالة من الحالات، يتم استخدام أسلوب رسسي لإزالة المذيبات من مسام الرطب جل مصفوفة13،،من1415.
ويرد أيضا على بروتوكول لتقييم مدى ملاءمة هذه المواد كوجوب للتخفيف من آثار التلوث السيارات، باستخدام اختبارات الحفاز الاتحاد (فلاتة)23،. وغرض نظام فلاتة، الأجزاء الرئيسية التي تظهر تخطيطياً في الشكل 1، هو محاكاة الكيميائية والحرارية، وتدفق الظروف التي شهدتها محول حفاز محرك بنزين نموذجية. وظائف فلاتة بتمرير خليط عادم محاكاة عبر نموذج وتستطي بمعدل درجة الحرارة والتدفق التي تسيطر عليها. يتم تحميل العينة وتستطي إلى تدفق أنبوبي سرير وجبات 2.25-سم-قطر الخلية (مقطع الاختبار””)، الذي يحتوي على العينة بين اثنين من الشاشات. الخلية تدفق تحميل يوضع في فرن للتحكم في الغاز العادم ودرجة الحرارة محفز، وعينات من العادم المعالجة (أي أنساب العادم من خلال السرير وجبات) والغاز غير المعالجة (أي تجاوز السرير وجبات) وتبحث في نطاق من درجات الحرارة تصل إلى جيم 700 ˚ تركيزات الثلاثة الرئيسية الملوثات-أول أكسيد الكربون، لا، والهيدروكربونات غير المحترقة (HCs)-تقاس باستخدام محلل الغاز الخمسة بعد أن تلقي علاجاً محفز وتستطي، وكل على حدة، في المعالجة تدفق (تجاوز””)؛ ويحسب من هذه البيانات تحويل النسبة المئوية ”” لكل المواد الملوثة. للاختبار الموضحة هنا، مزيج عوادم متاحة تجارياً، انبعاثات منخفضة من كاليفورنيا مكتب من السيارات إصلاح (بار) 97 كان يعمل مزيج. تفاصيل كاملة فلاتة‘s تصميم وأداء ترد في برونو et al.23
رقم 1. مقطع الاختبار فلاتة ونظم أخذ العينات. طبع بإذن من 2016-01-0920 (برونو et al. 23)، حقوق التأليف والنشر الدولية ساي عام 2016. كذلك توزيع هذه المواد غير مسموح به دون الحصول على إذن مسبق من ساي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد ثبت جدوى الأسلوب رسسي لتصنيع أيروجيلس الحفاز ونظام فلاتة لإثبات قدرة الحفاز هنا. المزايا الرئيسية لهذه البروتوكولات عبر طرق أخرى هي سرعة رسسي وتستطي تلفيق والنهج غير مكلفة نسبيا لاختبار الحفاز فلاتة.
يمكن إعداد المواد الهلامية لاستخراجها عن طريق مجموعة متنوعة من الطر?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يمول تطوير أساليب التوليف الحفاز أيروجيلس من خلال منحة مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) لا هيئة الهجرة واللاجئين-1206631. تصميم وتشييد فلاتة كان ممولة من خلال منحة جبهة الخلاص الوطني لا كبة-1228851. تم توفير التمويل الإضافي من صندوق “البحوث كلية كلية الاتحاد”. أيضا يود المؤلفون أن نعترف مساهمات توبين زخاري Aude بيكو، وبك ريان، فورتي آدم وسيلفا فينيسيوس.
Materials
| Variable micropipettor, 100-1000 µL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | S304665 | Any 100-1000 µL pipettor is suitable. |
| Variable Pipettor, 2.5-10 mL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | 21-379-25 | Any variable pipettor is suitable. |
| Pasteur pipettes | FisherScientific | 13-678-6A | |
| Syringe | Purchased from Fisher Scientific | Z181390 syringe with Z261297 needle | |
| Digital balance | OHaus Explorer Pro | Any digital balance is suitable. | |
| Beakers | Purchased from Fisher Scientific | Any glass beaker is suitable. | |
| Graduated Cylinder | Purchased from Fisher Scientific | Any glass graduated cylinder is suitable. | |
| Magnetic Plate/Stirrer | FisherScientific Isotemp | SP88854200P | Any magnetic plate/stirrer is suitable. |
| Ultrasonic Cleaner | FisherScientific FS6 | 153356 | Any sonicator is suitable. |
| Mold | Fabricated in House | Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel. | |
| Hydraulic Hot Press | Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com | MTP-14 | Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons. |
| UCAT (Union Catalytic Testbed) | Fabricated in House | Described in detail in reference #21: Bruno, B.A., Anderson, A.M., Carroll, M.K., Brockmann, P., Swanton, T., Ramphal, I.A., Palace, T. Benchtop Scale Testing of Aerogel Catalysts. SAE Technical Paper 2016-01-920 (2016). | |
| Bar 97 Gas | Praxair | MS_BAR97ZA-D7 |
Riferimenti
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chem. Rev. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Schneider, M., Baiker, A. Aerogels in Catalysis. Catal. Rev. 37, 515-556 (1995).
- Vallribera, A., Molins, E., Astruc, D. Aerogel Supported Nanoparticles in Catalysis. Nanoparticles and Catalysis. , (2007).
- Amonette, J. E., Matyas, J. Functionalized silica aerogels for gas-phase purification, sensing, and catalysis: A review. Mircopor. Mesopor. Mater. 250, 100-119 (2017).
- Juhl, S. J., Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Madero, J. E., Bono, M. S. Epoxide-Assisted Alumina Aerogels by Rapid Supercritical Extraction. J. Non-Cryst. Solids. 426, 141-149 (2015).
- Bono, M. S., Dunn, N. J. H., Brown, L. B., Juhl, S. J., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Mahony, M. K. Catalyst, Catalytic Converter and Method for the Production Thereof. US Patent. , (2016).
- Smith, L. C., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Preparation of vanadia-containing aerogels by rapid supercritical extraction for applications in catalysis. J. Sol-Gel Sci. Technol. 77, 160-171 (2016).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina Sol Gels: Effects of Heat Treatment on Structure and Catalytic Ability. J. Non-Cryst. Solids. 453, 94-102 (2016).
- Anderson, A. M., Donlon, E. A., Forti, A. A., Silva, V., Bruno, B. A., Carroll, M. K. Synthesis and Characterization of Copper-Nanoparticle-Containing Silica Aerogel Prepared Via Rapid Supercritical Extraction for Applications in Three-Way Catalysis. MRS Advances. , 1-6 (2017).
- Tobin, Z. M., Posada, L. F., Bechu, A. M., Carroll, M. K., Bouck, R. M., Anderson, A. M., Bruno, B. A. Preparation and Characterization of Copper-containing Alumina and Silica Aerogels for Catalytic Applications. J. Sol-Gel Sci. Technol. , (2017).
- Heck, R., Farrauto, R., Gulati, S. . Catalytic Air Pollution Technology. , (2009).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A Fast Supercritical Extraction Technique for Aerogel Fabrication. J. Non-Cryst. Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent No. , (2008).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent. , (2011).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a Rapid Supercritical Extraction Aerogel Fabrication Process: Prediction of Thermodynamic Conditions During Processing. J. Non-Cryst. Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method. J. Vis. Exp. (84), e51421 (2014).
- Harper-Leatherman, A. S., Pacer, E. R., Kosciuszek, N. D. Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity. J. Vis. Exp. (109), e53802 (2016).
- Subrahmanyam, R., Gurikov, P., Meissner, I., Smirnova, I. Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents. J. Vis. Exp. (113), e54116 (2016).
- Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies. J. Vis. Exp. (105), e53235 (2015).
- Kapteijn, F., Stegenga, S., Dekker, N. J. J., Bijsterbosch, J. W., Moulijn, J. A. Alternatives to noble metal catalysts for automotive exhaust purification. Catalysis Today. 16 (2), 273-287 (1993).
- Baumann, T., Gash, A., Chinn, S., Sawvel, A., Maxwell, R., Satcher, J. Synthesis of high-surface-area alumina aerogels without the use of alkoxide precursors. Chem. Mater. 17, 395-401 (2005).
- Bruno, B. A., Anderson, A. M., Carroll, M. K., Brockmann, P., Swanton, T., Ramphal, I. A., Palace, T. Benchtop Scale Testing of Aerogel Catalysts. SAE Technical Paper 2016-01-920. , (2016).
- Anderson, A. M., Wattley, C. W., Carroll, M. K. Silica Aerogels Prepared via Rapid Supercritical Extraction: Effect of Process Variables on Aerogel Properties. J. Non-Cryst. Solids. 355 (2), 101-108 (2009).
