निर्माण और तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण के माध्यम से तैयार उत्प्रेरक Aerogels का परीक्षण
Summary
यहां हम धातु प्रजातियों को सिलिका और एल्यूमिना aerogel प्लेटफार्मों में शामिल करके उत्प्रेरक aerogels तैयार करने और परीक्षण करने के लिए प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । तांबे लवण और तांबे युक्त नैनोकणों का उपयोग कर सामग्री तैयार करने के लिए तरीके चित्रित कर रहे हैं । उत्प्रेरक परीक्षण प्रोटोकॉल तीन तरह catalysis अनुप्रयोगों के लिए इन aerogels की प्रभावशीलता प्रदर्शित करता है ।
Abstract
धातु प्रजातियों को सिलिका और एल्यूमिना aerogel प्लेटफार्मों में शामिल करके उत्प्रेरक aerogels तैयार करने और परीक्षण करने के लिए प्रोटोकॉल प्रस्तुत किए गए हैं । तीन तैयारी विधियों का वर्णन किया गया है: (क) एक गर्भवती विधि का उपयोग कर सिलिका या एल्यूमिना गीला जैल में धातु लवण का निगमन; (ख) एक सह प्रणेता विधि का उपयोग कर एल्यूमिना गीला जैल में धातु लवण का निगमन; और (ग) धातु नैनोकणों के अतिरिक्त एक सिलिका aerogel प्रणेता मिश्रण में सीधे. तरीकों एक हाइड्रोलिक गर्म प्रेस, जो तेजी के लिए अनुमति देता है का उपयोग (< 6 ज) सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण और कम घनत्व के aerogels में परिणाम (०.१० ग्राम/एमएल) और उच्च सतह क्षेत्र (200-800 एम2/g) । जबकि यहां प्रस्तुत काम तांबे लवण और तांबे नैनोकणों के उपयोग पर केंद्रित है, दृष्टिकोण अंय धातु लवण और नैनोकणों का उपयोग कर कार्यांवित किया जा सकता है । ऑटोमोटिव प्रदूषण शमन के लिए इन aerogels की तीन तरह की उत्प्रेरक क्षमता के परीक्षण के लिए एक प्रोटोकॉल भी प्रस्तुत किया गया है । इस तकनीक का उपयोग करता है कस्टम निर्मित उपकरण, संघ उत्प्रेरक Testbed (UCAT), जिसमें एक नकली निकास मिश्रण एक नियंत्रित तापमान और प्रवाह दर पर एक aerogel नमूना पर पारित किया है । प्रणाली उत्प्रेरक aerogels की क्षमता को मापने में सक्षम है, दोनों ऑक्सीकरण और शर्तों को कम करने, सह परिवर्तित करने के लिए, नहीं और unburnेड हाइड्रोकार्बन (HCs) कम हानिकारक प्रजातियों (co2, H2ओ और एन2) के लिए । उदाहरण उत्प्रेरक परिणाम वर्णित aerogels के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं ।
Introduction
सिलिका और एल्यूमिना-आधारित aerogels में उल्लेखनीय गुण होते हैं, जिनमें कम घनत्व, उच्च porosity, उच्च सतह वाला क्षेत्र, अच्छा थर्मल स्थिरता और कम थर्मल चालकता1शामिल है । इन गुणों aerogel सामग्री1,2आवेदनों की एक किस्म के लिए आकर्षक रेंडर । एक आवेदन है कि थर्मल स्थिरता और aerogels के उच्च सतह क्षेत्र का शोषण विषम catalysis है; कई लेख इस क्षेत्र में साहित्य की समीक्षा2,3,4,5। वहाँ aerogel आधारित उत्प्रेरक के निर्माण के लिए कई दृष्टिकोण हैं, शामिल या एक सिलिका या एल्यूमिना aerogel के ढांचे के भीतर उत्प्रेरक प्रजातियों के फंसाने5,6,7, 8,9,10,11. वर्तमान काम तेजी से सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण (RSCE) और मोटर वाहन प्रदूषण शमन के लिए aerogel सामग्री के उत्प्रेरक परीक्षण के माध्यम से तैयारी के लिए प्रोटोकॉल पर केंद्रित है, और उदाहरण के रूप में तांबे युक्त aerogels का उपयोग करता है ।
तीन तरह के उत्प्रेरक (TWCs) सामांयतः गैसोलीन इंजन के लिए प्रदूषण शमन उपकरण में कार्यरत है12। आधुनिक TWCs प्लैटिनम, पैलेडियम और/या रोडियाम, प्लैटिनम समूह धातुओं (PGMs) है कि दुर्लभ है और इसलिए, महंगा है और पर्यावरण की दृष्टि से प्राप्त महंगा होते हैं । अधिक आसानी से उपलब्ध धातुओं के आधार पर उत्प्रेरक सामग्री महत्वपूर्ण आर्थिक और पर्यावरणीय लाभ होगा ।
Aerogels1तरीकों की एक किस्म का उपयोग कर गीला जैल से तैयार किया जा सकता है । लक्ष्य को ताकना पतन से बचने के रूप में विलायक जेल से हटा दिया जाता है । इस प्रोटोकॉल में कार्यरत प्रक्रिया एक रैपिड सुपरक्रिटिकल निष्कर्षण (RSCE) विधि है जिसमें निष्कर्षण एक प्रोग्राम हाइड्रोलिक गर्म प्रेस13,14,15में एक धातु मोल्ड के भीतर सिमटा जेल से होता है, 16. सिलिका aerogel monoliths के निर्माण के लिए इस RSCE प्रक्रिया का उपयोग पहले एक17प्रोटोकॉल, जिसमें अपेक्षाकृत कम तैयारी समय इस दृष्टिकोण के साथ जुड़े पर बल दिया गया था में प्रदर्शन किया गया है । सुपरक्रिटिकल co2 निष्कर्षण एक अधिक आम दृष्टिकोण है, लेकिन अधिक समय लगता है और सॉल्वैंट्स के अधिक से अधिक उपयोग की आवश्यकता है (2सह सहित) RSCE से । अंय समूहों ने हाल ही में सुपरक्रिटिकल CO2 निष्कर्षण18,19,20का उपयोग aerogels के प्रकार की एक किस्म की तैयारी के लिए प्रोटोकॉल प्रकाशित किया है ।
यहाँ, निर्माण के लिए प्रोटोकॉल और उत्प्रेरक के प्रकार की एक किस्म का परीक्षण तांबे से युक्त उत्प्रेरक aerogels प्रस्तुत कर रहे हैं । कोई कमी और कार्बन के सह ऑक्सीकरण गतिविधि रैंकिंग के आधार पर ब्याज की शर्तों के तहत आधार धातु उत्प्रेरक समर्थित ऑटोमोटिव प्रदूषण शमन Kapteijn एट अल द्वारा प्रदान की गई । 21, कॉपर इस काम के लिए उत्प्रेरक धातु के रूप में चुना गया था । निर्माण दृष्टिकोण शामिल है (क) एल्यूमिना या सिलिका गीला जैल11में तांबे लवण का छोटा सा भूत (), (ख) तांबे का उपयोग (II) और एल्यूमीनियम लवण के रूप में सह-पुरोगामी (co-P) जब निर्माण तांबे-एल्यूमिना aerogels6,22, और (ग) entrapping तांबे-युक्त नैनोकणों में एक सिलिका aerogel मैट्रिक्स के दौरान निर्माण10. प्रत्येक मामले में, एक RSCE विधि गीला जेल मैट्रिक्स के pores से विलायक को हटाने के लिए प्रयोग किया जाता है13,14,15।
मोटर वाहन प्रदूषण शमन के लिए TWCs के रूप में इन सामग्रियों की उपयुक्तता के आकलन के लिए एक प्रोटोकॉल, संघ उत्प्रेरक Testbed (UCAT)23का उपयोग कर, भी प्रस्तुत की है । UCAT प्रणाली, जिनमें से मुख्य भाग के उद्देश्य से चित्र 1में योजनाबद्ध ढंग से दिखाए जाते हैं, को रासायनिक, थर्मल अनुकरण है, और प्रवाह की स्थिति एक ठेठ गैसोलीन इंजन उत्प्रेरक कनवर्टर में अनुभवी । एक नियंत्रित तापमान और प्रवाह की दर पर एक aerogel नमूना पर एक नकली निकास मिश्रण गुजर द्वारा UCAT कार्य करता है । aerogel नमूना एक २.२५ सेमी व्यास ट्यूबलर पैक बिस्तर प्रवाह सेल (“परीक्षण अनुभाग“) है, जो दो स्क्रीन के बीच नमूना शामिल है में भरी हुई है । लोड फ्लो सेल एक ओवन में रखा है निकास गैस और उत्प्रेरक तापमान, और इलाज निकास के नमूनों को नियंत्रित करने के लिए (यानी निकास पैक बिस्तर के माध्यम से प्रवाहित) और अनुपचारित गैस (यानी पैक बिस्तर को दरकिनार) तापमान की एक सीमा पर जांच कर रहे है अप करने के लिए ७०० ˚ग. तीन प्रमुख प्रदूषकों की सांद्रता–सह, नहीं, और unburnेड हाइड्रोकार्बन (HCs)-aerogel उत्प्रेरक द्वारा इलाज किया जा रहा है के बाद एक पांच गैस विश्लेषक का उपयोग कर मापा जाता है और, अलग से, एक अनुपचारित में (“बाईपास“) प्रवाह; इन आंकड़ों से प्रत्येक प्रदूषक के लिए “प्रतिशत रूपांतरण“ की गणना की जाती है. परीक्षण के लिए यहां वर्णित है, एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध निकास मिश्रण, कैलिफोर्निया मोटर वाहन मरंमत (बार) ९७ कम उत्सर्जन मिश्रण के ब्यूरो कार्यरत था । UCAT‘s डिजाइन और कामकाज का पूरा विवरण ब्रूनो एट अल.23 में प्रस्तुत कर रहे हैं
चित्र 1. UCAT परीक्षण अनुभाग और नमूना प्रणाली । 2016-01-0920 (ब्रूनो एट अल से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित । २३), यसको २०१६ SAE अन्तर्राष्ट्रिय लागि हो । इस सामग्री के आगे वितरण SAE से पूर्व अनुमति के बिना अनुमति नहीं है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
Protocol
Representative Results
Discussion
उत्प्रेरक aerogels के निर्माण के लिए RSCE विधि की उपयोगिता और उत्प्रेरक क्षमता का प्रदर्शन करने के लिए UCAT प्रणाली यहां प्रदर्शन किया गया है । अंय तरीकों से अधिक इन प्रोटोकॉल के प्रमुख लाभ RSCE aerogel निर्माण और UCAT द्व?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
उत्प्रेरक aerogels के लिए संश्लेषण विधियों का विकास राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF) अनुदान सं के माध्यम से वित्त पोषित किया गया । DMR-१२०६६३१. डिजाइन और UCAT के निर्माण NSF अनुदान सं के माध्यम से वित्त पोषित किया गया । CBET-१२२८८५१. केंद्रीय कॉलेज के फैकल्टी रिसर्च फंड द्वारा अतिरिक्त फंडिंग प्रदान की गई । लेखक भी जाकारी Tobin, औड बेचू, रयान Bouck, एडम Forti, और Vinicius सिल्वा के योगदान को स्वीकार करना चाहेंगे ।
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 |
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