Microhoneycomb Monoliths utarbeidet av den enveis Frysetørring av Cellulose Nanofiber basert Sols: metoden og utvidelser
Summary
Her presenterer vi en generell protokoll for å forberede en rekke microhoneycomb monolitter (MHMs) i hvilke væske kan passere gjennom med en ekstremt lav trykkfall. MHMs fått skal brukes som filtre, katalysator støtter,-typen elektroder, sensorer og stillaser for biologisk materiale.
Abstract
Monolittisk Bikakestrukturer er attraktiv for tverrfaglig felt på grunn av deres høy styrke-til-vekt forhold. Spesielt forventes microhoneycomb monolitter (MHMs) med mikrometer skala kanaler som effektive plattformer for reaksjoner og separasjoner på grunn av deres store flater. Til nå, har MHMs utarbeidet av en enveis Frysetørring (UDF) metode fra svært begrenset prekursorer. Her, rapportere vi en protokoll som en rekke MHMs som består av ulike komponenter kan oppnås. Nylig fant vi den cellulose nanofibers funksjonen som tydelig struktur-regi agent mot dannelsen av MHMs gjennom UDF prosessen. Ved å blande den cellulose nanofibers med vann løselig stoffer som ikke gir MHMs, kan en rekke sammensatt MHMs tilberedes. Dette betydelig beriker kjemiske grunnlov MHMs mot allsidig søknadene.
Introduction
Som et helt nytt materiale, har microhoneycomb Monolitten (betegnet MHM) nylig tiltrukket stor oppmerksomhet fra tverrfaglig felt1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. den MHM først utarbeidet av S. Mukaiya et al. gjennom en modifisert enveis Frysetørring (UDF) tilnærming som en Monolitten med en rekke rett microchannels med honeycomb-lignende tverrsnitt9. MHM besitter de generelle fordelene Bikakestrukturer, dvs, effektiv flislegging, høy styrke-til-vekt forhold og lav trykkfall. Videre, sammenlignet med den honeycomb Monolitten med større kanal, MHM har et mye større bestemt areal. UDF metoden innebærer enveis veksten av iskrystaller og samtidige fase separasjon på frysing. Etter fjerning av iskrystallene hentes en solid komponent formet av isen krystall. Morfologi dannet på fase separasjon, avhenger av den iboende naturen av forløperen (sol eller gel), og i de fleste tilfeller, lameller10, fiber11fishbone12 strukturer er sannsynlig å danne i stedet for MHMs. Som et resultat, dannelsen av MHMs har blitt rapportert bare i begrenset forløpere, og dette har betydelig hemmet mangfoldet av deres kjemiske egenskaper. Vi har nylig funnet at cellulose nanofibers har en sterk struktur-regi funksjon mot danner MHM strukturen gjennom UDF prosessen13. Ved blanding av cellulose nanofibers med andre vann-dispergerbare komponenter, er det mulig å forberede en rekke MHMs med forskjellige kjemiske egenskaper. Videre er deres ytre former og kanal størrelser fleksibelt og lett kontrollert13. Dermed skal MHMs brukes som filtre, katalysator støtter, -typen elektroder, sensorer og stillaser for biologisk materiale.
I dette papiret forklare vi først tilberedning av grunnleggende teknikken av MHMs fra vandig spredning av cellulose nanofibers gjennom UDF prosessen i detalj. Videre viser vi utarbeidelse av flere forskjellige typer sammensatte MHMs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det viktigste trinnet for å oppnå MHMs er enveis frysing skritt, under vann stivner å danne kolonne iskrystaller og presse dispersoid til side til rammen. Enveis frysing prosessen innebærer i utgangspunktet termisk overføring mellom forløper sol og kjølevæsken. I våre oppsett, ble en dipping maskin brukt til å sette inn en PP rør som inneholder en forløper sol i kjølevæsken (flytende nitrogen) med en konstant hastighet. Siden flytende nitrogen holder fordamper hele tiden, genereres en fluctuant temperaturgr…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National grunnleggende forskning Program i Kina (2014CB932400), National Natural Science Foundation i Kina (nr. 51525204 og U1607206) og Shenzhen grunnleggende forskningsprosjekt (nr. JCYJ20150529164918735). Også, vi ønsker å takke Daicel Allnex Ltd og JSR co for vennlig leverer polyuretan 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).
