Her rapporterer vi syntese og karakterisering av bestilte nanoporous karbon (med 4,6 nm porestørrelse) og SBA-15 (med en 5,3 nm porestørrelse). Arbeidet beskriver overflaten og tekstur egenskapene til nanoporous molekylær sikter, deres wettability og smeltende virkemåten til D2O i materialet.
I dette arbeidet vi rapportere syntese og karakterisering av bestilt nanoporous karbon materiale (også kalt bestilte mesoporous karbon materiale [OMC]) med 4,6 nm porestørrelse og bestilte silica porøse matrise, SBA-15, med en 5,3 nm porestørrelse. Dette verket beskriver egenskapene overflate nanoporous molekylær sikter, deres wettability, og smelter virkemåten til D2O begrenset i annerledes bestilte porøse materialer med lignende pore størrelser. For dette formålet syntetisert OMC og SBA-15 med svært bestilte nanoporous strukturer er via impregnering av silika matrisen ved å bruke en karbon forløper og sol-gel metoden, henholdsvis. Den porøse strukturen undersøkte systemer er preget av en N2 adsorpsjon-desorpsjon analyse på 77 K. For å bestemme elektrokjemiske karakter av overflaten av syntetisk materiale, utføres potentiometric titrering mål; innhentet resultatene for OMC viser en betydelig pHpzc Skift mot de høyere verdiene av pH, i forhold til SBA-15. Dette tyder på at undersøkte OMC har overflate egenskaper for oksygen-baserte funksjonelle grupper. For å beskrive egenskapene overflate materiale, bestemmes også kontakt vinkler av væsker gjennomtrengende studerte porøse senger. Metoden kapillær stige har bekreftet den økt wettability av silika veggene i forhold til karbon veggene og innflytelse pore grovheten på væske/vegg interaksjon, som er mye mer uttalt for silica enn for karbon mesopores. Vi har også studert smeltende virkemåten til D2O begrenset OMC og SBA-15 ved å bruke metoden dielektrisk. Resultatene viser at depresjonen i Smeltetemperaturen for D2O i porene i OMC er ca 15 K økte i forhold til depresjonen i Smeltetemperaturen i SBA-15 porene sammenlignbare 5 nm størrelse. Dette skyldes påvirkning av adsorbate/adsorbent interaksjoner av de studerte matriser.
I 1992, ble bestilte nanoporous silica materialer innhentet for første gang, bruker en organisk mal; siden da en rekke publikasjoner knyttet til ulike sider ved disse strukturene, syntetiske metoder, etterforskning av egenskaper, deres endringer, og ulike programmer har dukket opp i litteratur1,2 ,3. Interessen for SBA-15 nanoporous silica matrix4 er på grunn av sin enestående kvalitet: en høy areal, bredt porene med en ensartet porestørrelse distribusjon og gode kjemiske og mekaniske egenskaper. Nanoporous silisium materialer med sylindriske porene, for eksempel SBA-155, brukes ofte som en porøs matrise for katalysatorer som de er effektiv katalysatorer i organisk reaksjoner6,7. Materialet kan syntetiseres med en rekke metoder som kan påvirke deres egenskaper8,9,10. Derfor er det viktig å optimalisere disse metodene for potensielle applikasjoner i mange felt: elektrokjemiske enheter, nanoteknologi, biologi og medisin, narkotika leveringssystemer, eller heft og tribology. I denne studien, to forskjellige typer nanoporous strukturer presenteres, nemlig silica og karbon porøse matriser. For å sammenligne egenskapene, SBA-15 matrix er syntetisert med metoden sol-gel, og bestilte nanoporous karbon materialet er utarbeidet av impregnering av resulterende silica matrisen med en karbon forløper.
Porøse karbon materialer er viktig i mange apparater på grunn av deres høye areal og deres unike og godt definert mekanisk-egenskaper6,11,12. Typisk forberedelse resulterer i materialer med tilfeldig fordelte porøsitet og en uordnede struktur; Det er også en begrenset mulighet for endring av generell pore parameterne, og dermed strukturer med relativt bred pore størrelse distribusjoner hentes13. Denne muligheten er utvidet for nanoporous karbon materialer med høy flater og bestilte systemer for nanopores. Mer spådd geometri og mer kontroll over mekanisk-prosessene i pore plassen er viktig i mange programmer: som katalysatorer, media separasjonssystemer, avansert elektronisk materialer og nanoreactors i mange vitenskapelige felt14 , 15.
For å få porøse karbon kopier, kan bestilt silikaen fungere som en solid matrise som introduseres direkte karbon prekursorer. Metoden kan deles inn i flere faser: valg av bestilte silica materiale; deponering av karbon prekursor i en silica matrise; karbonisering; deretter fjerning av silika matrix. Mange forskjellige typer oppdagere materialer kan fås ved denne metoden, men ikke alle nonporous materialer har en organisert struktur. Et viktig element i prosessen er valget av en egnet matrise som nanopores må danne en stabil, tredimensjonal struktur16.
I dette arbeidet, er påvirkning av typen pore vegger i syntetisk nanoporous matriser overflate egenskaper undersøkt. Overflateegenskaper OMC materiale reflekteres av egenskapene overflaten av silisium analog (SBA-15) av OMC. Tekstur og strukturelle egenskapene til begge typer materialer (OMC og SBA-15) er preget av lav temperatur N2 adsorpsjon/desorpsjon målinger (på 77 K), overføring elektronmikroskop (TEM) og energi dispersiv X-ray analyse ( EDX).
Lav temperatur gass adsorpsjon/desorpsjon måling er en av de viktigste teknikkene under karakterisering av porøse materialer. Nitrogen gass brukes som en adsorbate på grunn av dens høy renhetsgrad og muligheten til å lage en sterk interaksjon med solid adsorbents. Viktigste fordelene med denne teknikken er brukervennlig kommersielle utstyr og relativt lett databehandling prosedyrer. Fastsettelse av nitrogen adsorpsjon/desorpsjon isotherms er basert på akkumulering av adsorbate molekyler på overflaten av solid adsorbent på 77 K i en rekke Press (P/P0). Barrett, Joyner og Halenda (likevel) fremgangsmåten for å beregne den porestørrelse distribusjonen fra experimental adsorpsjon eller desorpsjon isotherms brukes. De viktigste forutsetningene for metoden likevel inkluderer en plan overflate og en jevn distribusjon av adsorbate på undersøkte overflaten. Men denne teorien er basert på Kelvin ligningen og det er fortsatt den mest brukte måten for beregning av porestørrelse distribusjon i området mesoporous.
For å evaluere den elektrokjemiske karakteren av prøvene, brukes en potentiometric titrering metode. Overflatekjemi av materialet er avhenger av overflaten kostnader knyttet til heteroatoms eller funksjonelle grupper på overflaten. Egenskapene overflaten er også undersøkt av kontakt analyse. Wettability inne i porene gir informasjon om adsorbate-adsorbent interaksjoner. Påvirkning av veggen grovheten på smeltende temperaturen på vannet i begge prøver er studert med dielektrisk avslapning spektroskopi (DRS) teknikk. Målinger av dielektrikum konstant tillate etterforskningen av smelting fenomener som polarizability av væsken og solid faser er forskjellige fra hverandre. En endring i skråningen av temperatur avhengigheten av kapasitans viser at smelter oppstår i systemet.
Kritisk trinnene under utarbeidelsen av bestilte mesoporous karbon materialet inkluderer utarbeidelse av bestilte mesoporous silica materialer som malen med veldefinerte strukturelle egenskaper som påvirker egenskapene til de endelige materialene og tempering/karbonisering trinn under en nitrogen atmosfære. Endring av den typiske metoden for mesoporous bestilt silikaen med sylindriske porene28 bekymringer anvendelsen av en utypiske struktur-regi agent som er PE10500 polymer, for bedring av struk…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke National Center of Science for å gi økonomisk støtte med stipend ingen. DEC-2013/09/B/ST4/03711 og UMO-2016/22/ST4/00092. Forfatterne er også takknemlig for delvis støtte fra Polen operative programmet Menneskelig kapital PO KL 4.1.1, samt fra nasjonale senter for forskning og utvikling, under forskning gir ingen. PBS1/A9/13/2012. Forfatterne er spesielt takknemlig for Prof L. Hołysz fra Interfacial fenomener divisjon, Fakultet for kjemi, Maria Curie-Sklodowska University, Lublin, Polen, for meg og aktivere målinger av wettability i den SBA-15 nanopores.
1,3,5-trimethylbenzene | Sigma-Aldrich, Poland | M7200 Sigma-Aldrich | Mesitylene, also known as 1,3,5-trimethylbenzene, reagent grade, assay: 98%. |
anhydrous ethanol | POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. | 396480111 | Assay, min. 99.8 %, analysis-pur (a.p.) |
ASAP 2020. Accelerated Surface Area and Porosimetry System | Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA, USA | Samples were outgassed before analysis at 120 oC for 24 hours in degas port of analyzer. The dead space volume was measured for calibration on experimental measurement using helium as a adsorbate. | |
Automatic burette Dosimat 665 | Metrohm, Switzerland | The surface charge properties were experimentally determined by potentiometric titration of the suspension at constant temperature 20°C maintained by the thermostatic device. Prior to potentiometric titration measurements, the solid samples were dried by 24 hours at 120 oC. The initial pH was established by addition of 0.3 cm3 of 0.2 mol/L HCl. T The 0.1 mol/L NaOH solution was used as a titrant, added gradually by using automatic burette. | |
Digital pH-meter pHm-240 | Radiometer, Copenhagen | Device coupled with automatic burette | |
ethyl alcohol | POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. | 396420420 | Assay, min. 96 %.analysis-pur (a.p.) |
glucose | POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. | 459560448 | assay 99.5% |
Hydrochloric acid | POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. | 575283115 | Hydrochloric acid, 35 – 38% analysis-pur (a.p.) |
HOPG graphite substrate | Spi Supplies | LOT#1170906 | HOPG SPI-2 Grade, 20x20x1 mm |
Impedance analyzer Solartron 1260 | Solartron | ||
Pluronic PE 6400 polymer | BASF (Polska) | (EO13PO70EO13) | |
Pluronic PE10500 | BASF Canada Inc. | Molar mass 6500 g/mol | |
potassium hydroxide | Sigma-Aldrich, Poland | P5958 Sigma-Aldrich | BioXtra, ≥85% KOH basis |
SEM microscope | JEOL JSM-7001F | Scanning Electron Microscope with EDS detector | |
Sigma Force Tensiometer 701 | KSV, Sigma701, Biolin Scientific | force tensiometer | |
Sulfuric acid (VI) | POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. | 575000115 | |
surface glass type KS 324 Kavalier | Megan Poland | 80 % of SiO2 , 11% of Na2O and 9% of CaO | |
Tecnai G2 T20 X-TWIN | FEI, USA | Transmission Electron Microscope with EDX detector. | |
TEM microscope | JEOL JEM-1400 | ||
temperature controller ITC503 | Oxford Instruments | ||
Tetraethylorthosilicate | Sigma-Aldrich, Poland | 131903 | Tetraethyl silicate, TEOS, reagent grade, assay 98% |
Ultrapure water | Millipore, Merck KGaA, Darmstadt, Germany | SIMSV0001 | Simplicity Water Purification SystemUltrapure Water: 18.2 MegOhm·cm, TOC: <5 ppb |