Microhoneycomb Monoliter udarbejdet af den ensrettede frysetørring af Cellulose Nanofiber baseret Sols: metode og udvidelser
Summary
Vi præsenterer her, en generel protokol for at forberede en række microhoneycomb Monoliter (MHMs) i hvilken væske kan passere gennem med et ekstremt lavt trykfald. MHMs opnåede forventes at blive brugt som filtre, katalysator understøtter, flow-type elektroder, sensorer og stilladser for biomaterialer.
Abstract
Monolitisk honeycomb strukturer har været attraktivt at tværfaglige områder på grund af deres høje styrke / vægt-forhold. Især forventes microhoneycomb Monoliter (MHMs) med mikrometer skala kanaler som effektiv platforme for reaktioner og separationer på grund af deres store overflade områder. Hidtil har MHMs udarbejdet af en envejs Frysetørring (UDF) metode kun fra meget begrænset prækursorer. Heri, rapporterer vi en protokol, hvor der kan indhentes en serie af MHMs består af forskellige komponenter. For nylig fandt vi denne cellulose nanofibers funktion som en tydelig struktur-lede agent mod dannelsen af MHMs gennem UDF. Ved at blande cellulose nanofibers med vand opløselige stoffer, som ikke giver MHMs, kan være forberedt en række sammensatte MHMs. Dette beriger betydeligt MHMs kemiske forfatning mod alsidige applikationer.
Introduction
Som et helt nyt materiale, microhoneycomb monolith (betegnes MHM) har for nylig tiltrak sig enorm opmærksomhed fra tværfaglig felter1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. the MHM blev først udarbejdet af S. Mukai et al. gennem en modificeret envejs Frysetørring (UDF) tilgang som en monolith med en bred vifte af lige microchannels med honeycomb-lignende tværsnit9. MHM besidder de generelle fordele af honeycomb strukturer, dvs., effektiv tessellation, høj styrke / vægt-forhold og lavt trykfald. Derudover har sammenlignet med honeycomb monolith med en kanal er større, MHM en meget større specifikke overflade område. UDF metode indebærer envejs væksten af iskrystaller og samtidige faseadskillelse ved frysning. Efter fjernelse af is krystaller opnås en solid komponent formet af isen krystal. Morfologi dannes ved faseadskillelse afhænger den iboende karakter af forstadie (sol eller gel), og i de fleste tilfælde, lamel10, fiber11, og fishbone12 strukturer er tilbøjelige til at danne i stedet for MHMs. Som et resultat, dannelsen af MHMs er blevet rapporteret kun i begrænset prækursorer, og det har betydeligt hæmmet mangfoldigheden af deres kemiske ejendom. Vi har for nylig fundet, at cellulose nanofibers har en stærk struktur-lede funktion mod danner strukturen MHM gennem UDF proces13. Simpelthen ved at blande cellulose nanofibers med andre vand-spredbar komponenter, er det muligt at udarbejde en række MHMs med forskellige kemiske egenskaber. Derudover er deres udvendige former og kanal størrelser fleksibelt og nemt kontrolleret13. Således forventes MHMs at blive brugt som filtre, katalysator understøtter, flow-type elektroder, sensorer og stilladser for biomaterialer.
I dette papir forklare vi først den grundlæggende forberedelse teknik af MHMs fra den vandig dispersion af cellulose nanofibers gennem UDF processen i detaljer. Derudover viser vi udarbejdelsen af flere forskellige typer af sammensatte MHMs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det mest afgørende skridt for at nå MHMs er trinnet unidirectional frysepunktet under vand størkner for at danne søjleformede iskrystaller og skubbe dispersoid afsat til at danne rammerne. Unidirectional frysepunktet processen involverer grundlæggende termisk overførsel mellem forløber sol og kølevæske. I vores setup, var en dyppe maskine bruges til at indsætte en PP rør indeholdende en forløber sol i kølervæske (flydende kvælstof) med en konstant hastighed. Da flydende kvælstof holder fordamper hele tide…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af den nationale grundlæggende forskning Program af Kina (2014CB932400), National Natural Science Foundation of China (nr. 51525204 og U1607206) og Shenzhen grundlæggende forskningsprojekt (nr. JCYJ20150529164918735). Vi vil også gerne takke Daicel-Allnex Ltd. og JSR Co for venligt formidlende polyurethaner og styren butadien gummi, henholdsvis.
Materials
| Nadelholz Bleached Kraft Pulp | Seioko PMC company | CSF=600 | |
| TEMPO | Macklin Inc. | T819129 | 98% |
| NaBr | Macklin Inc. | S818075 | AR, 99% |
| NaClO | Aladin Inc. | S101636 | 6-14 wt% active chlorine basis |
| SBR colloid | JSR corp. | TRD102A | 48.5 wt% |
| TiO2 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | A63725402 | crystalline anatase phase |
| carbon fiber | Shenzhen Xian’gu Ltd. | XGCP-300 | |
| Nitric acid | Huada Reagent Ltd. | 7697-37-2 | 65-68 wt% |
| Mixer | Scientific Industries, Inc | G-560 | the mixer |
| Mechanical blender | Waring Lab Ltd. | MX1000XTX | For disintegrating cellulose bundles into nanofibers. |
| Homogenizer | Scientz Ltd. | HXF-DY | For dispersing TiO2 nanoparticles |
| pH meter | Horiba Ltd. | F-74BW |
Riferimenti
- Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Yoshida, T., Taniguchi, K., Tamon, H. Morphology of resorcinol-formaldehyde gels obtained through ice-templating. Carbon. 43 (7), 1563-1565 (2005).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
- Nishihara, H., et al. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 16 (31), 3231-3236 (2006).
- Mukai, S. R., Mitani, K., Murata, S., Nishihara, H., Tamon, H. Assembling of nanoparticles using ice crystals. Mater. Chem. Phys. 123 (2), 347-350 (2010).
- Cui, K., et al. Self-assembled microhoneycomb network of single-walled carbon nanotubes for solar cells. J. Phy. Chem. Lett. 4 (15), 2571-2576 (2013).
- Xu, T., Wang, C. -. A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3 ceramics prepared by freeze-casting process. J. Eur. Ceram. Soc. 36 (10), 2647-2652 (2016).
- Yoshida, S., et al. CO2 Separation in a flow system by silica microhoneycombs loaded with an ionic liquid prepared by the ice-templating method. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (10), 2834-2839 (2017).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals. Chem. Commun. (7), 874-875 (2004).
- Gutie´rrez, M. C., et al. Macroporous 3D Architectures of Self-Assembled MWCNT Surface Decorated with Pt Nanoparticles as Anodes for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Phys. Chem. C. 111, 5557-5560 (2007).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Morphology maps of ice-templated silica gels derived from silica hydrogels and hydrosols. Micropor. Mesopor. Mat. 116 (1-3), 166-170 (2008).
- Okaji, R., Taki, K., Nagamine, S., Ohshima, M. Preparation of porous honeycomb monolith from UV-curable monomer/dioxane solution via unidirectional freezing and UV irradiation. J. Appl. Polym. Sci. 125 (4), 2874-2881 (2012).
- Pan, Z. -. Z., et al. Cellulose nanofiber as a distinct structure-directing agent for xylem-like microhoneycomb monoliths by unidirectional freeze-drying. ACS Nano. 10 (12), 10689-10697 (2016).
- Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J. -. L., Vigon, M., Isogai, A. Homogeneous Suspensions of Individualized Microfibrils from TEMPO-Catalyzed Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 7 (6), 1687-1691 (2006).
- Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
- Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
- Nishihara, H. . Study on the simultaneous control of the nanostructure and morphology of the porous materials prepared via the ice-templating method [D]. , (2005).
- Zhang, R., et al. Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying. Nano Research. 7 (10), 1477-1487 (2014).
- Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975 (2013).
