Fabricage en beproeving van katalytische Aerogels bereid Via snelle superkritische extractie
Summary
Hier presenteren we protocollen voor het voorbereiden en testen van katalytische aerogels door het opnemen van metaal soorten in silica en aluminiumoxide aerogel platformen. Methoden voor het voorbereiden van materialen met behulp van zouten koper en koper-bevattende nanodeeltjes worden gekenmerkt. Katalytische testprotocollen tonen de effectiviteit van deze aerogels voor drieweg katalyse toepassingen.
Abstract
Protocollen voor het voorbereiden en testen van katalytische aerogels door het opnemen van metaal soorten in silica en aluminiumoxide aerogel platformen worden gepresenteerd. Drie bereidingswijzen worden beschreven: (a) de opneming van metalen zouten in kiezelzuur of aluminiumoxide natte gelen een impregnering methode; (b) de opneming van metalen zouten in natte gels aluminiumoxide met behulp van een voorloper van de co-methode; en (c) de toevoeging van metalen nanodeeltjes rechtstreeks in een silica aerogel voorloper mengsel. De methoden maken gebruik van een hydraulische hot press, dat voorziet in snelle (< 6 h) superkritische extractie en resultaten in aerogels van lage dichtheid (0,10 g/mL) en hoge oppervlakte (200-800 m2/g). Terwijl het werk gepresenteerd hier richt zich op het gebruik van KOPERZOUTEN en koperen nanodeeltjes, kan de aanpak worden geïmplementeerd met andere metalen zouten en nanodeeltjes. Een protocol voor het controleren van de mogelijkheid drieweg katalysator van deze aerogels voor automotive verontreiniging mitigatie is ook gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van op maat gemaakte apparatuur, de Unie katalytische Testbed (UCAT), waarin een mengsel van gesimuleerde uitlaat over een aerogel monster bij een gecontroleerde temperatuur en stroomsnelheid wordt doorgegeven. Het systeem is geschikt voor het meten van het vermogen van de katalytische aerogels, onder beide oxiderende en vermindering van voorwaarden, als u wilt converteren van CO, niet en onverbrande koolwaterstoffen (HCs) minder schadelijke soorten (CO2, H2O en N2). In het volgende voorbeeld katalytische resultaten worden gepresenteerd voor de aerogels beschreven.
Introduction
Aerogels silica en aluminiumoxide gebaseerde hebben opmerkelijke eigenschappen, met inbegrip van lage dichtheid, hoge poreusheid, hoge oppervlakte, goede thermische stabiliteit en lage thermische geleidbaarheid1. Deze eigenschappen maken de aerogel materialen aantrekkelijk voor een verscheidenheid van toepassingen1,2. Een toepassing die gebruik maakt van de thermische stabiliteit en hoge oppervlakte van aerogels is heterogene katalyse; diverse artikelen bekijken de literatuur in dit gebied2,3,4,5. Er zijn vele benaderingen van de fabricage van aerogel gebaseerde katalysatoren, met inbegrip van de oprichtingsakte of beklemming van katalytische soorten in het kader van een kiezelzuur of aluminiumoxide aerogel5,6,7, 8,9,10,11. Het huidige werk richt zich op protocollen voor bereiding via snelle superkritische extractie (RSCE) en katalytische testen van aerogel materialen voor automotive verontreiniging mitigatie en koper-bevattende aerogels gebruikt als voorbeelden.
Drie-weg katalysator (TWCs) zijn vaak werkzaam in verontreiniging mitigatie apparatuur voor benzine motoren12. Moderne TWCs bevatten platina, palladium en/of rhodium, platina-groep metalen (PGMs), die zeldzaam zijn en dus dure en ecologisch duur te verkrijgen. Katalysator materialen gebaseerd op gemakkelijker verkrijgbaar metalen zou hebben aanzienlijke economische en ecologische voordelen.
Aerogels kan worden bereid uit natte gels met behulp van een verscheidenheid van methode1. Het doel is te voorkomen dat instorting van de porie als oplosmiddel wordt verwijderd uit de gel. Het proces van werkzaamheden in loondienst in dit protocol is een extractiemethode van de snelle superkritische (RSCE) waarin de winning van een gel beperkt binnen een metalen mal in een programmeerbare hydraulische hot press13,14,15plaatsvindt, 16. Het gebruik van dit RSCE proces voor de fabrikatie van silica aerogel monolieten is eerder aangetoond in een protocol17, waarin de relatief korte voorbereidingstijd die zijn gekoppeld aan deze benadering werd benadrukt. Superkritische CO2 extractie is een meer gemeenschappelijke aanpak, maar kost meer tijd en meer gebruik van oplosmiddelen (waaronder CO2) vereist dan RSCE. Andere groepen hebben onlangs gepubliceerd protocollen voor bereiding van een verscheidenheid van aerogels met behulp van superkritische CO2 extractie18,19,20soorten.
Hier worden de protocollen voor het fabriceren en catalytically testen een verscheidenheid van soorten koper-bevattende katalytische aerogels gepresenteerd. Op basis van de vermindering van NO en CO oxidatie activiteit ranking van koolstof-ondersteunde onedel metaal katalysatoren onder omstandigheden van belang auto vervuiling tegengaan geboden door Kapteijn et al. 21, koperen werd geselecteerd als de katalytische metaal voor dit werk. Fabricage benaderingen omvatten a impregneren (IMP) van KOPERZOUTEN in aluminiumoxide of kwartsglas natte gels11, (b) met behulp van copper(II) en aluminium zouten als co precursoren (Co-P) bij het fabriceren van koper-aluminiumoxide aerogels,6,22, en (c) entrapping door de koper-bevattende nanodeeltjes in een silica aerogel matrix tijdens fabricage10. In elk geval een RSCE-methode wordt gebruikt voor de verwijdering van het oplosmiddel uit de poriën van de natte gel matrix13,14,15.
Een protocol voor de beoordeling van de geschiktheid van deze materialen als TWCs voor automotive verontreiniging mitigatie, met behulp van de Unie katalytische Testbed (UCAT)23, wordt ook gepresenteerd. Het doel van het UCAT systeem, belangrijke gedeelten daarvan schematisch in Figuur 1 weergegeven worden, is, de chemische, thermische, simuleren en stromen voorwaarden ervaren in een typische benzine motor-katalysator. De functies van de UCAT door het passeren van een mengsel van gesimuleerde uitlaat over een aerogel monster bij een gecontroleerde temperatuur en debiet tarief. Het monster aerogel is geladen in een stroom van 2,25-cm-diameter buizen verpakt bed cel (““test sectie““, waarin het monster tussen twee schermen). De cel geladen stroom wordt geplaatst in een oven om te controleren de uitlaatgas en katalysator temperatuur en monsters van behandelde uitlaat (d.w.z. uitlaat stroomde door het ingepakte bed) en onbehandelde gas (d.w.z. het omzeilen van het verpakte bed) worden onderzocht op een aantal temperaturen tot 700 ˚C. De concentraties van de drie belangrijkste verontreinigende stoffen–CO, Nee, en onverbrande koolwaterstoffen (HCs)–worden gemeten met behulp van een vijf-gas analyzer na wordt behandeld door de aerogel katalysator en, afzonderlijk, in een onbehandelde stroom (““bypass““); uit deze gegevens wordt de “percentage conversie“ “voor elke verontreinigende stof berekend. Voor het testen die hierin worden beschreven, een commercieel beschikbare uitlaat blend, lage emissies California Bureau van Automotive reparatie (BAR) 97 blend werkzaam was. De volledige gegevens van de UCAT‘s ontwerp en werking worden gepresenteerd in Bruno et al.23
Figuur 1. UCAT Test sectie- en bemonsteringssystemen. Herdrukt met toestemming van 2016-01-0920 (Bruno et al. 23), copyright 2016 SAE International. Verdere verspreiding van dit materiaal is niet toegestaan zonder voorafgaande toestemming van de SAE. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het nut van de RSCE-methode voor de fabricage van katalytische aerogels en het UCAT-systeem voor het aantonen van katalytische vermogen is hierin aangetoond. Grote voordelen van deze protocollen ten opzichte van andere methoden zijn de snelheid van RSCE aerogel fabricage en de relatief goedkope aanpak katalytische getest door UCAT.
Gels moet worden geëxtraheerd kunnen bereid worden via een verscheidenheid van methoden, waaronder impregneren van metaalzouten in een aluminiumoxide of silica nat…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ontwikkeling van de synthesemethoden voor katalytische aerogels werd gefinancierd door middel van subsidie van de National Science Foundation (NSF) Nee. DMR-1206631. Het ontwerp en de bouw van UCAT werd gefinancierd door middel van NSF subsidie Nee. CBET-1228851. Aanvullende financiering werd verstrekt door de Union College faculteit onderzoeksfonds. De auteurs wil ook erkennen van de bijdragen van Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti en Vinicius Silva.
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).
