İmalat ve katalitik Aerogels hızlı süperkritik ayıklama hazırlanan test
Summary
Burada hazırlama ve katalitik aerogels silika ve alümina aerogel platformlar metal türler dahil ederek test için kullanılan protokol mevcut. Kullanarak malzeme hazırlama yöntemleri tuzları bakır ve bakır içeren nano tanecikleri yer veriliyor. Katalitik test protokolleri bu aerogels üç yönlü kataliz uygulamalar için etkinliğini göstermektedir.
Abstract
Hazırlama ve katalitik aerogels silika ve alümina aerogel platformlar metal türler dahil ederek test için kullanılan protokol sunulmaktadır. Üç hazırlama yöntemleri açıklanmıştır: (a) birleşme metal tuzları bir emprenye yöntemiyle; silis veya Alümina ıslak jelleri (b) metal birleşme alümina ıslak jelleri bir eş habercisi yöntemiyle tuzlar; ve (c) metal nano tanecikleri yanı sıra doğrudan bir silika aerogel habercisi karışımı içine. Yöntemleri kullanmak için hızlı sağlar hidrolik bir sıcak basın (< 6 h) süperkritik çıkarma ve aerogels sonuçlarında düşük yoğunluklu (0.10 g/mL) ve yüksek yüzey alanı (200-800 m2/g). İş burada odaklanır bakır tuzları ve bakır nano tanecikleri kullanımı sunulan. iken, diğer metal tuzları ve nano tanecikleri kullanarak yaklaşım uygulanabilir. Bu aerogels Otomotiv kirliliği azaltma için üç yollu katalitik yetenek testi için bir iletişim kuralı da sunulmaktadır. Özel olarak oluşturulmuş donanımları, sendika katalitik Testbed (hangi bir aerogel örnek bir kontrollü sıcaklık ve akış hızı üzerinde simüle egzoz karışımı geçirilir UCAT), bu tekniği kullanır. Sistem altında her iki oksitleyici katalitik aerogels, yeteneği ölçme ve CO, hayır dönüştürmek için koşulları, azaltılması ve yanmamış hidrokarbon (HCs) için daha az zararlı türler (CO2, H2O ve N2). Örnek katalitik sonuçları açıklanan aerogels için sunulmuştur.
Introduction
Silika ve alümina esaslı aerogels düşük yoğunluklu, yüksek gözeneklilik, yüksek yüzey alanı, iyi termal kararlılık ve düşük ısı iletkenlik1gibi dikkat çekici özelliklere sahiptir. Bu özellikler aerogel malzeme uygulamaları1,2çeşitli için çekici hale. Termal kararlılık ve yüksek yüzey alanı aerogels yararlanan bir heterojen kataliz uygulamadır; Bu alan2,3,4,5literatürde çeşitli makaleleri gözden geçirin. Birleşme veya tuzak bir silis veya Alümina aerogel5,6,7çerçevesinde katalitik türlerin de dahil olmak üzere, aerogel tabanlı katalizörler imalatı için pek çok yaklaşım vardır, 8,9,10,11. Mevcut çalışma yolu ile hızlı süperkritik ayıklama (RSCE) ve katalitik Otomotiv kirliliği azaltma için aerogel malzemelerin test hazırlık için iletişim kuralları üzerinde duruluyor ve bakır içeren aerogels örnek olarak kullanır.
Üç yönlü Katalizörler (TWCs) yaygın olarak kirliliği azaltma ekipman benzin motorları12için istihdam edilmektedir. Modern TWCs platin, palladium ve/veya rodyum, nadir platin grubu metaller (PGM) içerir ve bu nedenle, pahalı ve çevre edinmek için pahalı. Kullanıma hazır metaller üzerinde esaslı katalizör malzeme önemli ekonomik ve çevresel avantajlar olurdu.
Aerogels ıslak jelleri yöntemleri1çeşitli kullanarak hazırlanabilir. Çözücü jel kaldırılır gözenek çöküşü önlemek için hedeftir. Bu protokol için istihdam süreç çıkarma bir programlanabilir Hidrolik sıcak basın13,14,15metal bir kalıp içinde sınırlı bir jel dan oluştuğu bir hızlı süperkritik ayıklama (RSCE) yöntemi. 16. Bu RSCE işlem kullanımı silis aerogel yekpare imalatı için daha önce içinde bu yaklaşım ile ilişkili görece kısa hazırlama süresi vurguladı bir protokol17‘ de gösterilmiştir. Süperkritik CO2 ayıklama daha yaygın bir yaklaşım, ama daha fazla zaman alır ve RSCE çözücüler (CO2dahil) daha iyi kullanılmasını gerektirir. Diğer gruplar son zamanlarda protokolleri kullanan süperkritik CO2 ayıklama18,19,20aerogels türleri çeşitli hazırlanması için yayımlanmıştır.
Burada, imalatı ve catalytically katalitik aerogels bakır içeren türleri çeşitli test için kullanılan protokol sunulmuştur. Hayır azaltma ve CO oksidasyonu etkinlik sıralamasını karbon destekli baz metal katalizörler Otomotiv kirliliği azaltma Kapteijn vd tarafından sağlanan ilgi koşullarda göre 21, bakır katalitik metal bu iş için seçildi. Uydurma bir yaklaşım (a) emprenye (IMP) (b) copper(II) ve alüminyum tuzları Co öncüleri (Co-P) bakır-alümina aerogels6,22imalatı kullanarak alümina veya silis ıslak jelleri11, içine bakır tuzları içerir, ve (c) bakır içeren nano tanecikleri silis aerogel matris uydurma10sırasında entrapping. Her durumda, çözücü kaldırılması için bir RSCE yöntemi kullanılır matris13,14,15ıslak gözeneklerin jel.
Otomotiv kirliliği azaltma, sendika katalitik Testbed (UCAT)23, kullanarak TWCs olarak bu malzemelerin uygunluğunun değerlendirilmesi için bir iletişim kuralı da sunulmaktadır. Hangi anahtar kısımlarını Şekil 1‘ de şematik gösterilen UCAT sistemin amacı kimyasal, termal, taklit ve bir tipik benzin motoru katalitik konvertör deneyimli koşulları akışı olduğunu. Aerogel örneği kontrollü bir sıcaklık ve akış oranı üzerinde simüle egzoz karışımı geçirerek UCAT işlevler. Aerogel örnek 2.25-cm-çap borulu Paketli yatak akışına yüklenir hücre (”test bölümü“), hangi iki ekran arasında örnek içerir. Yüklü akışı hücre egzoz gazı ve katalizör sıcaklık ve tedavi egzoz örnekleri denetlemek için bir fırına yerleştirilir (Yani egzoz akan Paketli yatak) ve tedavi edilmezse gaz (yani atlayarak Paketli yatak) sıcaklık bir mesafeden ilâ incelenir 700 ˚c Üç konsantrasyonları anahtar kirleticiler–CO, NO, ve yanmamış hidrokarbon (HCs)–ölçülen aerogel katalizör ve ayrı ayrı, bir tedavi edilmezse sonra tedavi altına bir beş-gaz Çözümleyicisi’ni kullanarak (””yan yol) akım; Bu verilerden her kirletici için “yüzde dönüşüm” hesaplanır. Burada açıklanan sınama için piyasada bulunan bir egzoz karışımı, California Bureau of otomotiv tamir (BAR) 97 düşük emisyon karışım istihdam edildi. Tam ayrıntılar Bruno vd.23 ‘ te UCAT‘s tasarım ve işleyişi sundu
Şekil 1. UCAT Test bölümü ve örnekleme sistemleri. 2016-01-0920 (Bruno ve ark. izni ile yayımlanmaktadır 23), telif hakkı 2016 SAE Uluslararası. Daha fazla dağıtım bu malzeme SAE önceden izni olmadan izin verilmez. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Katalitik aerogels imalatı için RSCE yöntemi ve katalitik yetenek gösteren için UCAT sistem yarar burada göstermiştir. Bu protokoller büyük avantajları diğer yöntemler üzerinde RSCE aerogel üretim hızını ve katalitik UCAT tarafından test için nispeten ucuz bir yaklaşım vardır.
Jeller elde edilebilir için hazırlanan çeşitli yöntemler, dahil olmak üzere bir aliminyum veya silis ıslak jel matris içine metal tuzları, emprenye, metal tuzları dahil alüminyum tuzları…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Katalitik aerogels sentez Yöntem geliştirme No Ulusal Bilim Vakfı (NSF) hibe finanse edildi DMR-1206631. Tasarım ve inşaat UCAT finanse NSF hibe No CBET-1228851. Ek finansman Union College öğretim araştırma fonu tarafından sağlandı. Yazarlar ayrıca Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti ve Vinicius Silva katkıları kabul etmek istiyorum.
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).
