Microhoneycomb monolieten bereid door de unidirectionele vriesdrogen van Cellulose Nanofiber gebaseerd Sols: methode en uitbreidingen
Summary
Hier presenteren we een algemeen protocol ter voorbereiding van een verscheidenheid van microhoneycomb monolieten (MHMs) in welke vloeistof met een extreem lage drukval passeren kan. MHMs verkregen moeten worden gebruikt als filters, katalysator ondersteunt, stroom-type elektroden, sensoren en steigers voor biomaterialen.
Abstract
Monolithische honingraat structuren zijn aantrekkelijk voor multidisciplinaire velden vanwege hun hoge kracht-gewichtsverhouding. In het bijzonder worden microhoneycomb monolieten (MHMs) met micrometer-schaal kanalen verwacht als efficiënte platforms voor reacties en scheidingen vanwege hun grote oppervlaktes. Tot nu toe zijn MHMs vervaardigd door een unidirectionele trekkers (UDF) methode slechts van zeer beperkte precursoren. Hierin, rapporteren we een protocol waarbij een reeks van MHMs bestaande uit verschillende componenten kan worden verkregen. Onlangs vonden we die cellulose nanofibers functie als een afzonderlijke structuur-leiding agent op weg naar de vorming van MHMs door de UDF-proces. Door het mengen van de cellulose nanofibers met water oplosbare stoffen die MHMs opleveren, kan een verscheidenheid van samengestelde MHMs bereid worden. Dit aanzienlijk verrijkt de chemische samenstelling van MHMs naar veelzijdige toepassingen.
Introduction
Als een gloednieuwe materiaal, heeft microhoneycomb monoliet (aangeduid door MHM) onlangs trok enorme aandacht van multidisciplinaire velden1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. the MASSIEF VERNAGELDE houten muren werd voor het eerst bereid door S. Mukai et al. door middel van een gewijzigde unidirectionele trekkers (UDF) aanpak als een monoliet met een scala aan rechte microchannels met honingraat-achtige kruissecties9. Massief Vernagelde houten muren bezit de algemene voordelen van honingraat structuren, dat wil zeggen, efficiënte mozaïekpatroon, hoge kracht-gewichtsverhouding en lage drukval. Bovendien heeft in vergelijking met de honingraat-monoliet met een grotere omvang van het kanaal, de MASSIEF VERNAGELDE houten muren een veel grotere specifieke oppervlakte. De UDF-methode houdt de unidirectionele groei van ijskristallen en gelijktijdige fase-separatie zichtbaar op bevriezing. Na de verwijdering van de ijskristallen, wordt een solide component gevormd door het ijs kristal verkregen. De morfologie gevormd na de fasescheiding is afhankelijk van de intrinsieke aard van de voorloper (sol of gel), en in de meeste gevallen, lamel10, vezel11en fishbone12 structuren dreigen te vormen in plaats van de MHMs. Dientengevolge, de vorming van MHMs heeft gemeld slechts in beperkte precursoren, en dit heeft de diversiteit van hun chemische eigendommen aanzienlijk bemoeilijkt. We hebben onlangs geconstateerd dat cellulose nanofibers een sterke structuur-leiding functie naar de vorming van de structuur van de MASSIEF VERNAGELDE houten muren door de UDF proces13. Gewoon door het mengen van de cellulose nanofibers met andere componenten van het water waarin het zich verspreidt, is het mogelijk om voor te bereiden een verscheidenheid van MHMs met verschillende chemische eigenschappen. Bovendien zijn hun exterieur vormen en kanaal maten flexibel en gemakkelijk gecontroleerde13. MHMs moeten dus worden gebruikt als filters, katalysator ondersteunt, stroom-type elektroden, sensoren en steigers voor biomaterialen.
In dit document, hebben we eerst de techniek van de fundamentele voorbereiding van MHMs uitleggen van de waterige dispersie van cellulose nanofibers door het proces van de UDF in detail. Bovendien tonen we de voorbereiding van verschillende soorten samengestelde MHMs.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meest kritische stap voor de verwezenlijking van de MHMs is de unidirectionele bevriezing stap, tijdens welke water stolt om te vormen in kolomvorm ijskristallen en duw de dispersoid opzij naar het kader vormen. De unidirectionele vriesproces omvat in principe thermische overdracht tussen de voorloper sol en de koelvloeistof. In onze opstelling, werd een onderdompelende machine gebruikt voor het invoegen van een PP buis met een sol voorloper in de koelvloeistof (vloeibare stikstof) met een constante snelheid. Omdat vl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de nationale fundamentele onderzoek programma van China (2014CB932400), National Natural Science Foundation of China (nrs. 51525204 en U1607206) en Shenzhen Basic onderzoeksproject (nr. JCYJ20150529164918735). Ook bedank wij Daicel-Allnex Ltd. en JSR Co. voor vriendelijk gegevensverstrekkende polyurethanen en styreen butadieenrubber, respectievelijk.
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 |
References
- 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).
