Изготовление и испытания каталитического аэрогели, подготовлен через быстрое сверхкритической экстракции
Summary
Здесь мы представляем протоколы для подготовки и тестирования каталитического Аэрогели путем включения металла видов в платформах аэрогель кремнезема и глинозема. Методы для подготовки материалов с использованием медные соли и Рекомендуемые медь содержащих наночастиц. Каталитические протоколы испытаний продемонстрировать эффективность этих Аэрогели трехходовой катализа приложений.
Abstract
Представлены протоколы для подготовки и тестирования каталитического Аэрогели путем включения металла видов в аэрогель платформ кремнезема и глинозема. Описываются три методы подготовки: (a) включение металлических солей в кремнезема или глинозема мокрой гели, с помощью метода пропитки; (b) включение металлических солей в мокрой гели глинозема с использованием метода совместного прекурсоров; и (c) добавлением металлических наночастиц прямо в смесь силики аэрогель прекурсоров. Методы используют горячий пресс гидравлический, который позволяет для быстрого (< 6 h) сверхкритической экстракции и результаты в Аэрогели низкой плотности (0.10 g/мл) и большой площадью поверхности (200-800 м2/г). В то время как работа здесь представлены фокусируется на использование солей меди и медной наночастиц, подход может осуществляться с помощью других солей металлов и наночастиц. Протокол для тестирования трехкомпонентный каталитический способность этих Аэрогели для смягчения автомобильной загрязнения также представил. Этот метод использует заказные оборудование, союзом каталитических обкатки (UCAT), в котором моделируемых выхлопа смесь передается аэрогель образца при контролируемой температуре и скорость потока. Система способна измерения способность катализатора аэрогели, под оба окисляющие и сокращения условий, чтобы преобразовать CO, нет и несгоревших углеводородов (УВ) к менее вредных видов (H2O и N2, CO2). Пример катализатора результаты представлены для Аэрогели описал.
Introduction
На основе силики и глинозема Аэрогели имеют замечательные свойства, в том числе низкая плотность, высокая пористость, большую площадь поверхности, хорошая термическая стабильность и низкая теплопроводность1. Эти свойства отображения материалов аэрогель привлекательным для различных приложений1,2. Одно приложение, которое использует термической стабильностью и высокой поверхности Аэрогели является гетерогенного катализа; несколько статей обзор литературы в этой области2,3,4,5. Существует много подходов к изготовления на основе аэрогель катализаторов, включая включение или захвата каталитического видов в рамках кремнезема или глинозема аэрогель5,6,7, 8,9,10,11. Настоящая работа фокусируется на протоколы для подготовки через быстрое сверхкритической экстракции (РГКП) и каталитические испытания материалов аэрогель для смягчения автомобильной загрязнения и использует медьсодержащих Аэрогели в качестве примеров.
Трехходовой катализаторов (ТДП) обычно используются в оборудовании смягчения последствий загрязнения для Бензин двигатели12. Современные ТДП содержат, платина, палладий и родий, металлов платиновой группы (Pgms отправления), которые являются редкими и, следовательно, дорогим и экологически дорогостоящих получить. Катализатор материалы, основанные на более доступной металлов будет иметь значительные экономические и экологические преимущества.
Аэрогели могут быть приготовлены из мокрой гели, с использованием различных методов1. Цель заключается в том, чтобы избежать краха поры как растворитель удаляется из геля. Этот процесс, занятых в этот протокол является быстрое сверхкритической экстракции (РГКП) метод, в котором добыча происходит от геля, в кокиль в Программируемые гидравлические горячего прессования13,14,15, 16. Использование этого процесса РГКП для изготовления силикатного аэрогель монолиты ранее была продемонстрирована в протокол17, в котором была подчеркнута сравнительно короткое время подготовки связанных с этим подходом. Сверхкритических CO2 добыча более общий подход, но занимает больше времени и требует более широкого использования растворителей (включая CO2) чем РГКП. Другие группы недавно опубликованы протоколы для приготовления различных видов аэрогели, использование сверхкритических CO2 извлечения18,19,20.
Здесь представлены протоколы для изготовления и каталитически тестирования различных видов медьсодержащих каталитического Аэрогели. На основе сокращения NO и CO окисления Рэнкинг активности катализаторов углерода поддерживаемые недрагоценных металлов в условиях, представляющих интерес для смягчения автомобильной загрязнения, предоставляемые Kapteijn et al. 21, медь была выбрана в качестве катализатора металла для этой работы. Изготовление подходы включают в себя (a) пропитка (ИМП) солей меди в алюминия или кремния мокрый гели11, (b) использование Небходимая и алюминиевых солей как сопредседатель прекурсоров (Co-P) при изготовлении медно глинозема Аэрогели6,22, и (c) улавливания медно содержащих наночастиц в матрицу аэрогель кремнезема во время изготовления10. В каждом случае, РГКП метод используется для удаления растворителя из поры мокрой гель матрица13,14,15.
Протокол для оценки пригодности этих материалов как ТДП для смягчения автомобильной загрязнения, используя союзом каталитических обкатки (UCAT)23, также представил. UCAT системы, основные части которого схематически показаны на рисунке 1, предназначен для имитации химической, тепловой и поток условий в типичной бензин двигатель каталитического нейтрализатора. UCAT функций путем передачи имитируемых выхлопных смеси над образцом аэрогель при контролируемой температуре и скорость потока. Аэрогель образец загружается в поток 2,25 см диаметр трубчатых Упакованные кровать ячейки (раздел теста»»), который содержит образец между двумя экранами. Загруженного потока ячейки помещается в печь для контроля выхлопных газов и температуры катализатора и образцы лечение Выхлопная (т.е. выхлопных текла через Упакованные кровати) и неочищенных газовых (т.е. минуя Упакованные кровать) рассматриваются в диапазоне температур до C. 700 ˚ Концентрации этих трех ключевых загрязнителей–CO, NO, и несгоревших углеводородов (УВ)–измеряются с помощью пяти-газоанализатор после лечения аэрогель катализатора и, отдельно, в необработанной потока (обход““); из этих данных рассчитывается процент конверсии »» для каждого загрязнителя. Для тестирования, описанные здесь, коммерчески доступных выхлопных газов смесь, Калифорния бюро автомобильного ремонта (бар) 97 низких выбросов, который был нанят смесь. Подробнее о UCAT‘s проектирования и функционирования представлены в Бруно et al.23
Рисунок 1. UCAT испытания секции и системы отбора проб. Перепечатано с разрешения 2016-01-0920 (Бруно и др. 23), авторских прав 2016 SAE International. Дальнейшее распределение этот материал не разрешается без предварительного разрешения от SAE. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь была продемонстрирована полезность РГКП метод для изготовления каталитического Аэрогели и UCAT системы для демонстрации каталитической способности. Основные преимущества перед другими методами эти протоколы являются скорость РГКП аэрогель изготовления и относительно недорого…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Разработка методов синтеза для каталитического Аэрогели финансировалась через Национальный фонд науки (NSF) Грант нет DMR-1206631. Проектирование и строительство UCAT финансируется за счет гранта NSF нет CBET-1228851. Дополнительное финансирование было предоставлено Фондом Союза колледж Факультет исследований. Авторы хотели бы также отметить вклад Zachary Тобин, ОД Бешу, Райан Bouck, Адам Forti и Vinicius Сильва.
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 |
References
- 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).
