Overflateegenskaper av syntetisk Nanoporous karbon og Silica matriser

Summary

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.

Abstract

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 pH_pzc 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.

Introduction

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 litteratur^{1,2 ,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 reaksjoner^6,7. Materialet kan syntetiseres med en rekke metoder som kan påvirke deres egenskaper^8,9,10. 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-egenskaper^6,11,12. 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 felt^{14 , 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.

Protocol

1. forberedelse av OMC Syntese av en silica matrise som OMC forløper Forberede 360 mL 1,6 M HCl ved å legge til 50 mL HCl (36% – 38%) i en 500 mL runde bunn kolbe og, deretter, legge 310 mL ultrapure vann (resistivitet av 18.2 MΩ·cm). Det, legge 10 g av PE 10500 polymer (6.500 g/mol). Plass kolbe i ultralydbad. Varme løsningen til 35 ° C og rør det til den solid polymer er fullstendig oppløst, gjør en homogen blanding. Legge til 10 g 1,3,5-tr…

Representative Results

Betegner den porøse strukturen undersøkte prøvene OMC og SBA-15, N2 adsorpsjon-desorpsjon ble isotherms registrert på 77 K. De eksperimentelle N2 gass adsorpsjon-desorpsjon isotherms karakteriserer undersøkte systemene, samt pore størrelse distribusjoner (PSD) fra adsorpsjon og desorpsjon dataene, presenteres i figur 1A-D. Plasseringen av Bøyning poeng på såkalt isotherms (figur 1A<…

Discussion

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…

Materials

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