Fabrikasjon og Testing av katalytiske Aerogels forberedes Via raske superkritisk ekstraksjon
Summary
Her presenterer vi protokoller for utarbeidelse og testing katalytiske aerogels ved å innlemme metall arter i silisium og alumina aerogel plattformer. Metoder for å forberede materialer med kobber salter og kobber inneholder nanopartikler er omtalt. Katalytisk testing protokoller demonstrere effektiviteten av disse aerogels for treveis katalyse programmer.
Abstract
Protokoller for utarbeidelse og testing katalytiske aerogels ved å innlemme metall arter i silisium og alumina aerogel plattformer presenteres. Tre metoder for forberedelse er beskrevet: (a) inkorporering av metall salter i silica eller alumina våt gels med en impregnering metoden. (b) inkorporering av metall salter i aluminavirksomheten våt gels med en co forløper metode; og (c) tillegg av metall nanopartikler direkte inn i en silica aerogel forløper blanding. Metodene bruker et hydraulisk varme trykk, hvilke innrømmer for rask (< 6 h) superkritisk ekstraksjon og resultater i aerogels lav tetthet (0,10 g/mL) og høy overflate (200-800 m2/g). Mens arbeidet presentert her fokuserer på bruk av kobber salter og kobber nanopartikler, kan tilnærming implementeres ved hjelp av andre tungmetallsalt og nanopartikler. En protokoll for å teste tre-veis katalytisk evne til disse aerogels for bilindustrien forurensning innstrammingen er også presentert. Denne teknikken bruker spesialbygde utstyr, den Union katalytisk Serbia og MontenegroGenericName (UCAT), der en simulert eksos blanding er gått over en aerogel prøve på en kontrollert temperatur og flyt. Systemet er i stand til å måle evne til den katalytiske aerogels, under både oksiderende og redusere forhold, for å konvertere CO, ikke og unburned hydrokarboner (HCs) til mindre skadelige arter (CO2, H2O og N2). Eksempel katalytisk resultatene presenteres for aerogels beskrevet.
Introduction
Silica og alumina-baserte aerogels har bemerkelsesverdige egenskaper, inkludert lav tetthet, høy porøsitet, høy areal, god termisk stabilitet og lav termisk konduktivitet1. Disse egenskapene gjør aerogel materialet attraktive for en rekke applikasjoner1,2. Et program som utnytter termisk stabilitet og høy areal på aerogels er heterogene katalyse; flere artikler gjennom litteraturen i dette området2,3,4,5. Det er mange tilnærminger til fabrikasjon av aerogel-baserte katalysatorer, inkludert innlemmelse eller entrapment katalytisk arter innen rammen av en silica eller alumina aerogel5,6,7, 8,9,10,11. Den nåværende arbeidet fokuserer på protokoller for utarbeidelse via raske superkritisk ekstraksjon (RSCE) og katalytisk testing av aerogel materialer for bilindustrien forurensning forminskingsmodulen og bruker kobber inneholder aerogels som eksempler.
Treveis katalysatorer (TWCs) er vanligvis ansatt i forurensning klimatiltak utstyr for bensin motorer12. Moderne TWCs inneholder platina, palladium og/eller rhodium, platina-gruppen metaller (PGMs) som er sjeldne og derfor dyrere og miljømessig kostbare skaffe. Catalyst materialer basert på lettere tilgjengelig metaller har betydelige økonomiske og miljømessige fordeler.
Aerogels kan tilberedes fra våte gels bruker en rekke metoder1. Målet er å unngå pore kollaps løsemiddel fjernes fra gel. Prosessen i denne protokollen er en rask superkritisk ekstraksjon (RSCE) metode der utvinning oppstår fra en gel begrenset innenfor en metall mold på en programmerbar hydraulisk varme trykk13,14,15, 16. Bruk av denne RSCE prosessen for fabrikasjon av silika aerogel monolitter har vist tidligere i en protokoll17, der den relativt kort Tilberedningstid forbundet med denne tilnærmingen ble understreket. Superkritisk CO2 utvinning er en mer felles tilnærming, men tar mer tid og krever økt bruk av løsemidler (inkludert CO2) enn RSCE. Andre grupper har nylig publisert protokoller for utarbeidelse av ulike typer aerogels bruker superkritisk CO2 utvinning18,19,20.
Her presenteres protokoller for fabrikasjon og katalytisk testing en rekke typer av kobber inneholder katalytiske aerogels. Basert på ingen reduksjon og CO oksidasjon aktivitet rangeringen av karbon-støttet basismetallet katalysatorer under forholdene rundt til bilindustrien forurensning klimatiltak som Kapteijn et al. 21, kobber ble valgt som katalytisk metal for dette arbeidet. Fabrikasjon tilnærmingsmåtene er (a) impregnering (IMP) av kobber salter i aluminavirksomheten eller silica våt gels11(b) bruker copper(II) og aluminium salter som co prekursorer (Co-P) når fabrikere kobber alumina aerogels6,22, og (c) entrapping kobber inneholder nanopartikler i en silica aerogel matrise under fabrikasjon10. I hvert tilfelle, en RSCE-metoden brukes til fjerning av løsemiddel porene i våte gel matrix13,14,15.
En protokoll for vurdering av egnetheten av disse materialene som TWCs for bilindustrien forurensning klimatiltak, bruker Union katalytisk Serbia og MontenegroGenericName (UCAT)23, er også presentert. Formålet med UCAT systemet, nøkkel deler som er vist skjematisk i figur 1, er å simulere kjemisk, termisk, og flyte tilstander som oppleves i vanlig bensin motor katalysator. UCAT fungerer ved å sende en simulert eksos blanding over en aerogel prøven på en kontrollert temperatur og flow rate. Aerogel prøven er lagt inn en 2,25-cm i diameter rørformede pakket seng flyt celle (test-inndelingen for““), som inneholder utvalget mellom skjermer. Lastet flyt cellen plasseres i en ovn å kontrollere eksos og katalysator temperatur og eksempler på behandlet eksos (i.e. eksos strømmet gjennom pakket sengen) og ubehandlet gass (i.e. omgåelsen pakket sengen) undersøkt på et spekter av temperaturer opp til 700 ˚C. Konsentrasjonen av tre viktige stoffer – CO, nei, og unburned hydrokarboner (HCs) – er målt bruk en fem-gass analysator behandling ved aerogel katalysator, og separat, i en ubehandlet (“bypass“) flyte; “prosent konvertering“ for hver forurensende beregnes fra disse dataene. For testing beskrevet her, en kommersielt tilgjengelig eksos blanding, California Bureau av Automotive Reparasjon (BAR) 97 lave utslipp blanding var ansatt. Detaljer av UCAT‘s design og funksjon presenteres i Bruno et al.23
Figur 1. UCAT Test delen og prøvetaking systemer. Gjengitt med tillatelse fra 2016-01-0920 (Bruno et al. 23), copyright 2016 SAE International. Videre distribusjon av dette materialet er ikke tillatt uten tillatelse fra SAE. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nytten av metoden RSCE for fabrikasjon av katalytiske aerogels og UCAT system for demonstrering katalytisk evne har blitt demonstrert her. Store fordeler av disse protokollene over andre metoder er hastigheten på RSCE aerogel fabrikasjon og relativt rimelig tilnærming til katalytisk testing av UCAT.
Gels pakkes kan tilberedes via en rekke metoder, inkludert impregnering av metalliske saltstoffer i en alumina eller silica våt gel matrise, inkludering av metall salter som co forløpere med al…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Utvikling av syntese metoder for katalytisk aerogels ble finansiert gjennom National Science Foundation (NSF) stipend. DMR-1206631. Design og bygging av UCAT ble finansiert gjennom NSF stipend. CBET-1228851. Ekstra midler ble gitt av Union College fakultetet Research fund. Forfatterne vil også å erkjenne bidrag av Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti og 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).
