Facile fremstilling af ultrafine aluminiumhydroxidpartikler med eller uden mesoporøs MCM-41 i omgivende omgivelser
Summary
En ultrafine aluminiumhydroxid nanopartikelsuspension blev fremstillet via den kontrollerede titrering af [Al (H20)] 3+ med L-arginin til pH 4,6 med og uden bur-effektindeslutning inden for mesoporøse kanaler af MCM-41.
Abstract
En vandig suspension af nanogibbsite blev syntetiseret via titrering af aluminium-aqua-syre [Al (H20) 6 ] 3+ med L-arginin til pH 4,6. Da hydrolysen af vandige aluminiumsalte er kendt for at fremstille et bredt udvalg af produkter med en bred vifte af størrelsesfordelinger, er der en række avancerede instrumenter ( dvs. 27 Al / 1H NMR, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD og BET) blev anvendt til at karakterisere synteseprodukterne og identifikation af biprodukter. Produktet, som bestod af nanopartikler (10-30 nm), blev isoleret under anvendelse af gelpermeationskromatografi (GPC) søjle teknik. Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi og pulver røntgendiffraktion (PXRD) identificerede det oprensede materiale som gibbsite polymorf af aluminiumhydroxid. Tilsætningen af uorganiske salte ( fx NaCl) induceret elektrostatisk destabilisering af suspensionen og derved agglomerere nanopartiklerne til yieLd Al (OH) 3 bundfald med store partikelstørrelser. Ved anvendelse af den her beskrevne nye syntetiske fremgangsmåde blev Al (OH) 3 delvist lastet inde i den højtordnede mesoporøse ramme af MCM-41 med gennemsnitlige poremått på 2,7 nm, hvilket producerer et aluminosilicatmateriale med både oktaedriske og tetraedrale Al (Oh / T d = 1,4). Det samlede Al-indhold, målt ved hjælp af energidispergerende røntgenspektrometri (EDX), var 11% vægt / vægt med et Si / Al molforhold på 2,9. En sammenligning af bulk EDX med overfladisk røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) elementanalyse tilvejebragte indsigt i fordelingen af Al inden i aluminosilicatmaterialet. Desuden blev et højere forhold Si / Al observeret på den ydre overflade (3.6) i forhold til bulk (2,9). Tilnærmelser af O / Al-forhold indikerer en højere koncentration af Al (O) 3 og Al (O) 4 grupper nær henholdsvis kernen og den ydre overflade. Den nyudviklede syntese af Al-MCM-41 giver en reForholdsvis højt Al-indhold, samtidig med at integriteten af det bestilte silikamateriale opretholdes og kan anvendes til anvendelser, hvor hydreret eller vandfrit Al203 nanopartikler er fordelagtige.
Introduction
Materialer fremstillet af aluminiumhydroxid er lovende kandidater til en række industrielle anvendelser, herunder katalyse, lægemidler, vandbehandling og kosmetik. 1 , 2 , 3 , 4 Ved forhøjede temperaturer absorberer aluminiumhydroxid en væsentlig mængde varme under dekomponering for at give aluminiumoxid (Al203), hvilket gør det til et nyttigt flammehæmmende middel. 5 De fire kendte polymorfer af aluminiumhydroxid ( dvs. gibbsite, bayerite, nordstrandite og doyleite) er blevet undersøgt ved hjælp af beregningsmæssige og eksperimentelle teknikker for at forbedre vores forståelse af dannelsen og strukturer deraf 6 . Fremstillingen af nanoskala partikler er af særlig interesse på grund af deres potentiale til at udvise kvanteffekter og egenskaber, som afviger fra dem af theiR bulk modparter. Nanogibbsite partikler med dimensioner i størrelsesordenen 100 nm fremstilles let under forskellige betingelser 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .
At overvinde de iboende udfordringer, der er forbundet med at reducere partikelstørrelserne yderligere, er vanskelige; Derfor eksisterer der kun få tilfælde, hvor nanogibbsite-partikler har dimensioner i størrelsesordenen 50 nm. 14 , 15 , 16 , 17 Så vidt vi ved, har der ikke været rapporter om nanogibbsite partikler mindre end 50 nm. Til dels skyldes dette, at nanopartikler har tendens til at agglomerere på grund af elektrostatisk ustabilitetOg høj sandsynlighed for dannelsen af hydrogenbindinger mellem de kolloide partikler, især i polære protiske opløsningsmidler. Vores mål var at syntetisere små Al (OH) 3 nanopartikler ved udelukkende brug af sikre ingredienser og precursorer. I det nuværende arbejde blev vandig partikelaggregation hæmmet ved at inkorporere en aminosyre ( dvs. L-arginin) som en buffer og stabilisator. Derudover er det rapporteret, at den guanidiniumholdige arginin forhindrede aluminiumhydroxidpartikelvækst og aggregering til opnåelse af en vandig kolloid suspension med gennemsnitlige partikelstørrelser på 10-30 nm. Her foreslås det, at de amfotere og zwitterioniske egenskaber af arginin formindskede overladningen af aluminiumhydroxid nanopartikler under den milde hydrolyse for at disfavor partikelvækst ud over 30 nm. Skønt arginin ikke var i stand til at reducere partikelstørrelsen under 10 nm, blev sådanne partikler opnået ved at udnytte "buret" indeslutningseffekten hvidHin mesoporerne af MCM-41. Karakterisering af Al-MCM-41 kompositmaterialet afslørede ultrafine aluminiumhydroxid nanopartikler inden for det mesoporøse silica, som har en gennemsnitlig porestørrelse på 2,7 nm.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fremstillingen af en vandig aluminiumchloridopløsning indebar anvendelsen af et krystallinsk hexahydratsalt af aluminiumchlorid. Skønt den vandfri form også kan anvendes, er den ikke foretrukket på grund af dens betydelige hygroskopiske egenskaber, hvilket gør det vanskeligt at arbejde med og for at styre koncentrationen af aluminium. Det er bemærkelsesværdigt, at aluminiumchloridopløsning bør anvendes inden for flere dage efter præparation, fordi hydrolyseren af [Al (H2O) 6 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne udvider deres taknemmelighed til Dr. Thomas J. Emge og Wei Liu fra Rutgers University for deres analyse og ekspertise inden for småvinklede røntgendiffraktion og pulverrøntgendiffraktion. Desuden anerkender forfatterne Hao Wang for hans støtte med N 2 adsorptionsforsøg.
Materials
| aluminum chloride hexahydrate | Alfa Aesar | 12297 | |
| L-arginine | BioKyowa | N/A | |
| aluminum hydroxide | Sigma Aldrich | 239186 | |
| Bio-Gel P-4 Gel | Bio-Rad | 150-4128 | |
| Mesoporous siica (MCM-41 type) | Sigma Aldrich | 643645 |
References
- Laden, K. . Antiperspirants and Deodorants. , (1999).
- Kumara, C. K., Ng, W. J., Bandara, A., Weerasooriya, R. Nanogibbsite: Synthesis and characterization. J. Colloid Interface Sci. 352 (2), 252-258 (2010).
- Demichelis, R., Noel, Y., Ugliengo, P., Zicovich-Wilson, C. M., Dovesi, R. Physico-Chemical Features of Aluminum Hydroxides As Modeled with the Hybrid B3LYP Functional and Localized Basis Functions. J.Phys. Chem. C. 115 (27), 13107-13134 (2011).
- Elderfield, H., Hem, J. D. The development of crystalline structure in aluminum hydroxide polymorphs on ageing. Mineral. Mag. 39, 89-96 (1973).
- Wang, S. L., Johnston, C. T. Assignment of the structural OH stretching bands of gibbsite. Am. Mineral. 85, 739-744 (2000).
- Balan, E., Lazzer, M., Morin, G., Mauri, F. First-principles study of the OH-stretching modes of gibbsite. Am. Mineral. 91 (1), 115-119 (2006).
- Scherrer, P. Bestimmung der Grosse und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen . Gottingen. 26, 98-100 (1918).
- Langford, J. I., Wilson, A. J. C. Scherrer after sixty years: a survey and some new results in the determination of crystallite size. J. Appl. Cryst. 11 (2), 102-113 (1978).
- Swaddle, T. W., et al. Kinetic Evidence for Five-Coordination in AlOH(aq)2+ Ion. Science. 308 (5727), 1450-1453 (2005).
- Casey, W. H. Large Aqueous Aluminum Hydroxide Molecules. Chem. Rev. 106 (1), 1-16 (2006).
- Lutzenkirchen, J., et al. Adsorption of Al13-Keggin clusters to sapphire c-plane single crystals: Kinetic observations by streaming current measurements. Appl. Surf. Sci. 256 (17), 5406-5411 (2010).
- Mokaya, R., Jones, W. Efficient post-synthesis alumination of MCM-41 using aluminum chlorohydrate containing Al polycations. J. Mater. Chem. 9 (2), 555-561 (1999).
- Brunauer, S., Deming, L. S., Deming, W. E., Teller, E. On a Theory of the van der Waals adsorption of gases. J. Am. Chem. Soc. 62 (7), 1723-1732 (1940).
- Kresge, C. T., Leonowicz, M. E., Roth, W. J., Vartuli, J. C., Beck, J. S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature. 359 (6397), 710-712 (1992).
- Zeng, Q., Nekvasil, H., Grey, C. P. Proton Environments in Hydrous Aluminosilicate Glasses: A 1H MAS, 1H/27Al, and 1H/23Na TRAPDOR NMR Study. J. Phys. Chem. B. 103 (35), 7406-7415 (1999).
- Kao, H. M., Grey, C. P. Probing the Bronsted and Lewis acidity of zeolite HY: A 1H/27Al and 15N/27Al TRAPDOOR NMR study of mono-methylamine adsorbed on HY. J. Phys. Chem. 100 (12), 5105-5117 (1996).
- DeCanio, E. C., Edwards, J. C., Bruno, J. W. Solid-state 1H MAS NMR characterization of γ-alumina and modified γ-aluminas. J. Catal. 148 (1), 76-83 (1994).
- Shafran, K. L., Deschaume, O., Perry, C. C. The static anion exchange method for generation of high purity aluminium polyoxocations and monodisperse aluminum hydroxide nanoparticles. J. Mater. Chem. 15 (33), 3415-3423 (2005).
- Vogels, R. J. M. J., Kloprogge, J. T., Geus, J. W. Homogeneous forced hydrolysis of aluminum through the thermal decomposition of urea. J. Colloid Interface Sci. 285 (1), 86-93 (2005).
