Fabrication et essai d’aérogels catalytiques préparés par Extraction supercritique rapide
Summary
Nous présentons ici des protocoles de préparation et d’essais des aérogels catalytiques en intégrant des espèces métalliques à plateformes d’aérogel de silice et d’alumine. Méthodes pour la préparation des matériaux à l’aide de sels de cuivre et nanoparticules contenant du cuivre sont en vedette. Les protocoles de tests catalytiques démontrent l’efficacité de ces aérogels pour des applications de catalyse de trois voies.
Abstract
Protocoles de préparation et d’essais des aérogels catalytiques en intégrant des espèces métalliques à plateformes d’aérogel de silice et d’alumine sont présentés. Trois méthodes de préparation sont décrites : (a) l’incorporation de métal sels en silice ou alumine gels humides à l’aide d’une méthode d’imprégnation ; (b) l’incorporation de métal sels en gels humides alumine en utilisant une méthode de co précurseur ; et (c) l’addition de nanoparticules métalliques directement dans un mélange de précurseurs de l’aérogel de silice. Les méthodes utilisent une presse hydraulique à chaud, permettant une rapide (< h 6) extraction supercritique et entraîne les aérogels de faible densité (0,10 g/mL) et de grande surface (200-800 m2/g). Alors que les travaux présentés ici se concentre sur l’utilisation des sels de cuivre et de nanoparticules de cuivre, l’approche peut être implémentée à l’aide d’autres sels métalliques et des nanoparticules. Un protocole pour tester la capacité catalytique trois voies de ces aérogels pour l’atténuation de la pollution automobile est également présenté. Cette technique utilise des équipements sur mesure, l’Union catalytique Testbed (UCAT), dans lequel un mélange de gaz d’échappement simulé est passé sur un échantillon d’aérogel à une température contrôlée et le débit. Le système est capable de mesurer la capacité de l’aérogel catalytique, sous les deux oxydants et des conditions, pour convertir le CO, non réductrices et non brûlé hydrocarbures (HC) au moins des espèces nuisibles (CO2, H2O et N2). Exemple de résultats catalytique est présentés pour les aérogels décrits.
Introduction
Les aérogels de silice-alumine axée et ont des propriétés remarquables, y compris de faible densité, porosité élevée, grande surface, bonne stabilité thermique et une conductivité thermique faible1. Ces propriétés rendent les matériaux aérogel attrayant pour une variété d’applications1,2. Une application qui exploite la stabilité thermique et une grande surface d’aérogels est catalyse hétérogène ; plusieurs articles revue de la littérature dans cette zone2,3,4,5. Il existe de nombreuses approches pour la fabrication de catalyseurs à base de l’aérogel, y compris l’incorporation ou happé d¿espèces catalytique dans le cadre d’une silice ou alumine aérogel5,6,7, 8,9,10,11. Le présent travail se concentre sur les protocoles de préparation via rapide extraction supercritique (RSCE) et test catalytique de matériaux d’aérogel pour l’atténuation de la pollution automobile et utilise les aérogels contenant du cuivre comme exemples.
Catalyseurs trois voies (posées) sont couramment employées dans les équipements d’atténuation de la pollution pour essence moteurs12. Posées modernes contiennent platine, palladium et rhodium, métaux du groupe platine (MGP) qui sont rares et donc coûteux et écologiquement coûteuses à obtenir. Matériaux catalyseur à base de métaux plus accessibles aurait des avantages économiques et environnementaux significatifs.
Les aérogels peuvent être préparés de gels humides en utilisant une variété de méthodes1. Le but est d’éviter l’effondrement de pore dissolvant est enlevé du gel. Le processus employé dans le présent protocole est une méthode d’extraction supercritique rapide (RSCE) où a lieu l’extraction d’un gel confiné à l’intérieur d’un moule métallique dans une presse à chaud hydraulique programmable13,14,15, 16. L’utilisation de ce procédé RSCE pour la fabrication des monolithes de l’aérogel de silice a été démontrée précédemment dans un protocole17, dans lequel le temps de préparation relativement courte associé à cette démarche a été souligné. Extraction de2 CO supercritique est une approche plus commune, mais prend plus de temps et nécessite une plus grande utilisation des solvants (y compris les CO2) que RSCE. Autres groupes ont récemment publié les protocoles pour la préparation d’une variété de types d’aérogels utilisant supercritique CO2 extraction18,19,20.
Ici, les protocoles de fabrication et d’essai catalytiquement une variété de types d’aérogels catalytiques contenant du cuivre sont présentés. Basée sur la réduction de NO et le CO oxydation activité classement des catalyseurs de carbone-prise en charge des métaux de base dans des conditions d’intérêt à l’atténuation de la pollution automobile fourni par simo khattabi al. 21, cuivre a été choisi comme le métal catalytique pour ce travail. Fabrication des approches incluent (a) l’imprégnation (IMP) de sels de cuivre en alumine ou la silice gels humides11, (b) à l’aide de sels d’aluminium et de cuivre (II) comme précurseurs de co (Co-P) lorsque la fabrication d’alumine cuivre aérogels6,22, et (c) emprisonner de nanoparticules contenant du cuivre dans une matrice d’aérogel de silice au cours de la fabrication de10. Dans chaque cas, une méthode RSCE est utilisée pour l’élimination du solvant de pores le Wet gel matrice13,14,15.
Un protocole d’évaluation de la pertinence de ces matériaux comme posées pour l’atténuation de la pollution automobile, à l’aide de l’Union catalytique Testbed (UCAT)23, est également présenté. Le but du système UCAT, dont une partie clée figurent schématiquement à la Figure 1, est de simuler le produit chimique, thermique et de couler dans un convertisseur catalytique de moteur essence typique des conditions. Fonctions UCAT en passant un mélange de gaz d’échappement simulée sur un échantillon d’aérogel à une vitesse contrôlée de la température et le débit. L’exemple de l’aérogel est chargé dans un flux de 2,25 cm de diamètre tubulaire garnissage cell (section d’essai ““““), qui contient l’échantillon entre les deux écrans. La cellule chargée de flux est placée dans une étuve à contrôler les gaz d’échappement et catalyseur température et échantillons de gaz d’échappement traité (c’est-à-dire gaz d’échappement ont transité par le garnissage) et gaz non traité (c’est-à-dire sans passer par le garnissage) sont examinés à une gamme de températures jusqu’à 700 ˚C. Les concentrations des trois principaux polluants–CO, NO, et d’hydrocarbures imbrûlés (HC)–sont évalués en utilisant un analyseur de gaz de cinq après avoir été traités par le catalyseur de l’aérogel et, séparément, dans un non traitées des flux (contournement de ““““) ; d’après ces données, la conversion de pourcentage de ” ““ ” pour chaque polluant est calculée. Pour les essais décrits dans les présentes, un échappement commercialement disponible mélange, faibles émissions de California Bureau of Automotive Repair (BAR) 97 mélange travaillait. Tous les détails de l’UCAT‘s de réalisation et de fonctionnement sont présentées à Bruno et coll.,23
Figure 1. Section d’essai UCAT et systèmes d’échantillonnage. Réimprimé avec la permission de 2016-01-0920 (Bruno et coll. ( 23), copyright 2016 SAE International. Outre la distribution de ce matériel est interdite sans l’autorisation préalable de SAE. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’utilité de la méthode RSCE pour fabrication des aérogels catalytiques et le système UCAT pour démontrer la capacité catalytique a été démontrée dans les présentes. Principaux avantages de ces protocoles autres méthodes sont la vitesse de fabrication aérogel RSCE et l’approche relativement peu coûteux aux tests catalytiques par UCAT.
Gels à extraire peuvent être préparés par une variété de méthodes, y compris les Electrodes à base de sels métalliques dans une alumin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Développement des méthodes de synthèse pour les aérogels catalytiques a été financé par la subvention de la National Science Foundation (NSF) no. DMR-1206631. La conception et la construction de l’UCAT a été financé par la subvention de NSF no. EFAC-1228851. Un financement supplémentaire a été fourni par l’Union College Faculty Research fund. Les auteurs tiens également à souligner les contributions de Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti et Vinicius Silva.
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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