제조 및 급속 한 초 임계 추출 통해 준비 촉매 Aerogels의 테스트
Summary
여기 선물이 준비 하 고 금속 종 알 루미나와 실리 카 aerogel 플랫폼으로 통합 하 여 촉매 aerogels를 테스트 하기 위한 프로토콜. 사용 하 여 재료를 준비 하기 위한 방법 구리 소금 그리고 포함 하는 구리 나노 입자. 촉매 테스트 프로토콜 3 방향 촉매 응용 프로그램에 대 한 이러한 aerogels의 효과 보여 줍니다.
Abstract
준비 하 고 금속 종 알 루미나와 실리 카 aerogel 플랫폼으로 통합 하 여 촉매 aerogels 테스트 프로토콜 표시 됩니다. 3 준비 방법 설명: (a) 금속 관 임신 방법;를 사용 하 여 실리 카 또는 알 루미나 젖은 젤으로 소금 (b) 금속 설립 공동 전조 방법;를 사용 하 여 알 루미나 젖은 젤에 염 그리고 (c) 실리 카 aerogel 전조 혼합물에 직접 금속 나노 입자의 추가. 방법을 활용 빠른 수 있는 유압 뜨거운 압박 (< 6 h) 초 임계 추출 및 결과 aerogels에서 낮은 밀도 (0.10 g/mL)와 높은 표면적 (200-800 m2/g). 일 제시 여기 구리 염과 구리 나노 입자의 사용에 초점을 맞추고, 하는 동안 접근 다른 금속 염 및 나노 입자를 사용 하 여 구현할 수 있습니다. 자동차 오염 완화에 대 한 이러한 aerogels의 3 방향 촉매 능력을 테스트 하기 위한 프로토콜도 제공 됩니다. 이 기술은 사용 사용자 장비는 조합 촉매 테스트 베드 (: UCAT), 시뮬레이션된 배기 혼합 제어 온도 및 유량 aerogel 샘플을 통해 전달 합니다. 시스템에서 모두 산화 촉매 aerogels의 능력을 측정 하 고 감소 조건, 공동, 아니 변환 하 이며 연소 탄화수소 (HCs)을 덜 유해한 종 (CO2, H2O와 N2). 예를 들어 촉매 결과 aerogels 설명에 대 한 표시 됩니다.
Introduction
실리 카 및 알 루미나 기반 aerogels는 낮은 밀도, 높은 다공성, 높은 표면적, 좋은 열 안정성과 낮은 열 전도도1를 포함 하 여 놀라운 속성이 있습니다. 이러한 속성 렌더링 aerogel 재료 응용 프로그램1,2의 다양 한 매력. 열 안정성과 aerogels의 높은 표면적을 이용 하는 한 응용 프로그램은 이질적인 촉매; 몇 가지 기사가 지역2,3,,45문학 검토. 여러 가지가 aerogel 기반의 촉매, 설립 또는 실리 카 또는 알 루미나 aerogel5,6,7의 프레임 워크 내에서 촉매 종의 함정을 포함 하 여의 제작 8,9,,1011. 현재 작업 통해 급속 한 초 임계 추출 (RSCE) 및 자동차 오염 완화에 대 한 aerogel 물자의 촉매 테스트 준비에 대 한 프로토콜에 초점을 맞추고 고 예제로 포함 하는 구리 aerogels를 사용 합니다.
3 방향 촉매 (TWCs) 가솔린 엔진12오염 완화 장비에서 일반적으로 채택 된다. 현대 TWCs 포함 백 금, 팔라듐 및로 듐, 백 금 그룹 금속 (전송 프로그램) 희귀 하 고, 따라서, 비싼 비용과 환경 얻을. 촉매 재료 더 쉽게 사용할 수 있는 금속에 따라 상당한 경제적, 환경적 이점을 했을.
Aerogels는 다양 한 방법1을 사용 하 여 젖은 젤에서 준비 될 수 있다. 목표 용 매에서 젤 제거 모 공 축소를 방지 하는. 이 프로토콜에서 고용 하는 과정은 추출이는 프로그래밍 가능한 유압 뜨거운 압박13,,1415, 금형 내에서 국한 젤에서 발생 하는 빠른 초 임계 추출 (RSCE) 방법 16. 실리 카 aerogel monoliths의 제조에 대 한이 RSCE 프로세스를 사용 하 여 이전 프로토콜17,이 이렇게와 관련 된 상대적으로 짧은 준비 시간 강조 되었다에서 증명 되었습니다. 초 임계 CO2 추출 더 일반적인 방법은, 하지만 더 많은 시간이 걸립니다 고 RSCE 보다 (를 포함 하 여 CO2)의 사용을 요구 한다. 다른 그룹은 최근 aerogels 활용 초 임계 CO2 추출18,,1920종류의 다양 한의 준비에 대 한 프로토콜을 출판 한다.
여기, 날조 하 고 촉매로 포함 하는 구리 촉매 aerogels의 종류의 다양 한 테스트 프로토콜 표시 됩니다. 아니 감소 및 자동차 오염 완화 Kapteijn 그 외 여러분 에 의해 제공에 대 한 관심의 조건 하에서 탄소 지원 기지 금속 촉매의 CO 산화 활동 순위에 따라 21, 구리는이 작품에 대 한 촉매 금속으로 선정 됐다. 제조 방법 (a) 실리 카 알 루미나 또는 젖은 젤11, (b)를 사용 하 여 copper(II)와 알루미늄 소금 공동 선구자 (공동-P)으로 구리-알 루미나 aerogels6,22, 조작 하는 경우에 구리 염 함 침 (IMP) 포함 그리고 (c) entrapping 포함 하는 구리 나노 입자 제조10중 실리 카 aerogel 매트릭스로. 각각의 경우에는 RSCE 메서드는 용 매에서의 제거에 사용 되는 젖은의 숨 구멍 젤 매트릭스13,,1415.
자동차 오염 완화, 조합 촉매 테스트 베드 (: UCAT)23을 사용 하 여를 위한 TWCs로 이러한 자료의 적합성 평가 대 한 프로토콜도 제공 됩니다. 그림 1에 주요 부분을 개요로 표시: UCAT 시스템의 목적은 화학 물질, 열, 시뮬레이션 하 여 흐름 일반적인 가솔린 엔진 촉매 컨버터에서 경험 하는 조건입니다. : UCAT 시뮬레이션된 배기 혼합 제어 온도 흐름 속도로 aerogel 샘플에 전달 하 여 작동 합니다. Aerogel 샘플 2.25 c m 직경 관 층 흐름에 로드 셀 (“테스트 섹션“), 두 개의 화면 사이 샘플 포함. 로드 흐름 셀 배기 가스 및 촉매 온도, 및 치료 배기의 샘플을 오븐에 배치 (즉, 배기 층을 통해 흘러) 치료 가스 (즉 우회 층) 및 온도 범위에서 최대 검사 700 ˚c. 3의 농도 오염 물질-CO, NO, 키 및 unburned 탄화수소 (HCs)-aerogel 촉매에 의해 하 고, 별도로,는 치료에서 치료를 받고 이후 5 가스 분석기를 사용 하 여 측정 된다 (“우회“) 흐름; 이러한 데이터에서 “% 변환‘ 각 오염 물질에 대 한 계산 됩니다. 테스트를 위해 여기에 설명 된, 상업적으로 이용 가능한 배기 조화, 캘리포니아 관리국의 자동차 수리 (바) 97 낮은 방출 혼합 고용 했다. 전체 세부 정보: UCAT‘의 s 디자인 및 작동은 브루노 외.23 에 제공
그림 1입니다. : UCAT 테스트 섹션 및 샘플링 시스템입니다. 2016-01-0920 (브루노 외 에서 허가로 증 쇄 23) 저작권 2016 성폭력 국제. 분포를 더 이 자료는 성폭력에서 사전 허가 없이 허용 되지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
촉매 aerogels의 제조에 RSCE 방법 및 촉매 능력 위한: UCAT 시스템의 유틸리티 여기 입증 되었습니다. 다른 방법을 통해 이러한 프로토콜의 주요 장점을 RSCE aerogel 제조의 속도 상대적으로 저렴 한 접근: UCAT, 촉매 테스트 있습니다.
추출 하는 젤을 알 루미나 또는 실리 카 젖은 젤 매트릭스 금속 염의 침, 알루미늄 소금, 공동 선구자로 금속 염의 포함 및 포함 하는 금속 관을 포함 하…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
촉매 aerogels의 합성 방법의 개발 아니요 국립 과학 재단 (NSF) 교부 금을 통해 투자 되었다 DMR-1206631입니다. 설계 및 건설: UCAT 아니요 NSF 교부 금을 통해 투자 되었다 CBET-1228851입니다. 추가 자금 연합 대학 교수 연구 기금에 의해 제공 했다. 저자 또한 재커리 토 빈, 오드 Bechu, 라이언 Bouck, 아담 크고, 그리고 우 실바의 기여를 인정 하 고 싶습니다.
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).
