Ansiktsframställning av ultrafina aluminiumhydroxidpartiklar med eller utan mesoporös MCM-41 i omgivande miljöer
Summary
En ultrafin aluminiumhydroxid nanopartikelsuspension framställdes via den kontrollerade titreringen av [Al (H20)] 3+ med L-arginin till pH 4,6 med och utan burreffektering i mesoporösa kanaler av MCM-41.
Abstract
En vattenhaltig suspension av nanogibbsite syntetiserades genom titrering av aluminiumvattensyra [Al (H20) 6 ] 3+ med L-arginin till pH 4,6. Eftersom hydrolysen av vattenhaltiga aluminiumsalter är känd för att producera ett brett spektrum av produkter med ett brett spektrum av storleksfördelningar, kan en mängd olika toppmoderna instrument ( dvs. 27 Al / 1H NMR, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD och BET) användes för att karakterisera syntesprodukterna och identifiering av biprodukter. Produkten, som bestod av nanopartiklar (10-30 nm), isolerades med användning av gelpermeationskromatografi (GPC) kolonnteknik. Fouriertransform infraröd (FTIR) spektroskopi och pulverröntgendiffraktion (PXRD) identifierade det renade materialet som gibbsite-polymorf av aluminiumhydroxid. Tillsatsen av oorganiska salter ( t.ex. NaCl) inducerad elektrostatisk destabilisering av suspensionen, varigenom nanopartiklarna agglomereras till yieLd Al (OH) 3 fällning med stora partikelstorlekar. Genom att använda den nya syntetiska metoden som beskrivs här, sattes Al (OH) 3 partiellt in i det högbestämda mesoporösa ramen för MCM-41, med en genomsnittlig pordimension av 2,7 nm, vilket alstrar ett aluminosilikatmaterial med både oktaedriska och tetraedriska Al (Oh / Td = 1,4). Det totala Al-innehållet, mätt med hjälp av energidispergerande röntgenspektrometri (EDX), var 11% vikt / vikt med ett Si / Al-molförhållande av 2,9. En jämförelse av bulk EDX med ytanröntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) elementanalys gav insikt i fördelningen av Al inom aluminosilikatmaterialet. Vidare observerades ett högre förhållande Si / Al på den yttre ytan (3.6) jämfört med bulk (2,9). Tillnärmning av O / Al-förhållanden antyder en högre koncentration av Al (O) 3 och Al (O) 4 grupper nära kärnan respektive den yttre ytan. Den nyutvecklade syntesen av Al-MCM-41 ger en reLivsmässigt högt Al-innehåll medan bibehållen integritet hos den beställda kiseldioxidramen och kan användas för tillämpningar där hydratiserade eller vattenfria Al203 nanopartiklar är fördelaktiga.
Introduction
Material gjorda av aluminiumhydroxid är lovande kandidater för en mängd olika industriella tillämpningar, inklusive katalys, läkemedel, vattenbehandling och kosmetika. 1 , 2 , 3 , 4 Vid förhöjda temperaturer absorberar aluminiumhydroxid en väsentlig mängd värme under sönderdelning för att ge aluminiumoxid (Al203), vilket gör det till ett användbart flamskyddsmedel. 5 De fyra kända polymorferna av aluminiumhydroxid ( dvs gibbsite, bayerite, nordstrandite och doyleite) har undersökts med hjälp av beräkningsmetoder och experimentella tekniker för att förbättra vår förståelse för bildandet och strukturerna av dessa 6 . Framställningen av nanoskala partiklar är av särskilt intresse på grund av deras potential att uppvisa kvanteffekter och egenskaper som skiljer sig från de hosR bulk motsvarigheter. Nanogibbsite-partiklar med dimensioner i storleksordningen 100 nm framställs lätt under olika betingelser 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .
Att övervinna inneboende utmaningar som är förknippade med att minska partikelstorlekarna ytterligare är svåra; Därför finns endast ett fåtal fall där nanogibbsitepartiklar har dimensioner i storleksordningen 50 nm. 14 , 15 , 16 , 17 Så vitt vi vet har det inte rapporterats om nanogibbsite partiklar mindre än 50 nm. Till viss del beror detta på det faktum att nanopartiklar tenderar att agglomera på grund av elektrostatisk instabilitetOch hög sannolikhet för bildandet av vätebindningar mellan kolloidala partiklar, speciellt i polära protiska lösningsmedel. Vårt mål var att syntetisera små Al (OH) 3 nanopartiklar genom att använda uteslutande säkra ingredienser och prekursorer. I det aktuella arbetet inhiberades vattenhaltig partikelaggregation genom införlivande av en aminosyra ( dvs L-arginin) som en buffert och stabilisator. Vidare rapporteras att den guanidiniuminnehållande argininen förhindrade tillväxt av aluminiumhydroxidpartiklar och aggregering för att ge en vattenhaltig kolloidal suspension med genomsnittliga partikelstorlekar på 10-30 nm. Här föreslås att de amfotera och zwitterjoniska egenskaperna hos arginin mildrade ytladdningen av aluminiumhydroxid nanopartiklar under den milda hydrolysen för att disfavor partikeltillväxt över 30 nm. Fastän arginin inte kunde reducera partikelstorleken under 10 nm uppnåddes sådana partiklar genom att dra fördel av "burets" inneslutningseffektHin mesoporerna av MCM-41. Karakterisering av kompositmaterialet Al-MCM-41 avslöjade ultrafina aluminiumhydroxid nanopartiklar inom mesoporös kiseldioxid, som har en genomsnittlig porstorlek på 2,7 nm.
Protocol
Representative Results
Discussion
Framställningen av en vattenhaltig aluminiumkloridlösning medför användning av ett kristallint hexahydratsalt av aluminiumklorid. Fastän den vattenfria formen också kan användas är den inte föredragen på grund av dess signifikanta hygroskopiska egenskaper, vilket gör det svårt att arbeta med och för att styra koncentrationen av aluminium. Det är anmärkningsvärt att aluminiumkloridlösning ska användas inom flera dagar efter beredningen eftersom hydrolysen av [Al (H2O) 6 ] 3 + vatte…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna utökar sin uppskattning till Dr Thomas J. Emge och Wei Liu från Rutgers University för deras analys och expertis inom röntgendiffraktion med liten vinkel och pulverröntgendiffraktion. Vidare erkänner författarna Hao Wang för sitt stöd med N 2 adsorptionsexperimenten.
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).
