ייצור ובדיקה של Aerogels קטליטי להכין אותה באמצעות מיצוי דודי סופר מהיר
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקולים להכנה של בדיקות aerogels קטליטי על ידי שילוב מתכת מינים סיליקה פלטפורמות אירוג’ל אלומינה. שיטות להכנת חומרים באמצעות מלחי נחושת, נחושת המכיל חלקיקים הינם כלולים. קטליטי פרוטוקולי בדיקה להדגים את היעילות של אלה aerogels ליישומים זרז-כיוונית.
Abstract
פרוטוקולים להכנה של בדיקות aerogels קטליטי על ידי שילוב מתכת מינים סיליקה פלטפורמות אירוג’ל אלומינה מוצגים. שלוש שיטות הכנה מתוארים: (א) שילוב של מתכת מלחי לתוך ג’לים רטוב סיליקה או אלומינה באמצעות שיטת העיבור; (ב) שילוב של מתכת מלחי לתוך אלומינה רטוב ג’ל באמצעות שיטה קודמן משותף; ו- (ג) התוספת של חלקיקי מתכת ישירות לתוך תערובת קודמן אירוג’ל סיליקה. השיטות לנצל מכבש חם הידראולי, מה שמאפשר עבור מהירה (< 6-אייץ ') דודי סופר החילוץ ותוצאות aerogels של צפיפות נמוכה (0.10 g/mL), שטח גבוהה ביותר (200-800 מ'2/g). בזמן העבודה המוצגת כאן מתמקדת על השימוש של מלחי נחושת, נחושת חלקיקים, הגישה ניתן ליישם באמצעות מלחי מתכת ו חלקיקים אחרים. פרוטוקול לבדיקת היכולת קטליטי משולשת של אלה aerogels עבור להפחתת זיהום כלי רכב גם מוצג. שיטה זו משתמשת ציוד לפי הזמנה, האיחוד קטליטי Testbed (ucat ב), שבו היא תערובת הפליטה מדומה עברה דוגמה אירוג’ל טמפרטורה מבוקרת, קצב הזרימה. המערכת מסוגלת מדידת היכולת של aerogels קטליטי, תחת שני מחמצן וצמצום תנאי, כדי להמיר CO,. לא, של סמוראים פחמימנים (HCs) כדי פחות מזיקים מינים (CO2, H2O ו- N2). תוצאות קטליטי דוגמה מוצגים עבור aerogels המתואר.
Introduction
סיליקה-אלומינה מבוססי aerogels יש מאפיינים יוצא מן הכלל, לרבות צפיפות נמוכה, נקבוביות גבוהה, שטח גבוהה, טוב יציבות תרמית ו מוליכות חום נמוכה1. מאפיינים אלה לבלתי החומרים אירוג’ל אטרקטיבי עבור מגוון של יישומים1,2. אחד היישומים המנצלת את יציבות תרמית ואת השטח גבוהה של aerogels הוא זרז הטרוגניות; מספר מאמרים סקירת הספרות זה אזור2,3,4,5. ישנן גישות רבות הזיוף של זרזים aerogel מבוססי, לרבות התאגדות או מלכודת של מינים קטליטי בתוך המסגרת של סיליקה או אלומינה אירוג’ל5,6,7, 8,9,10,11. העבודה הנוכחית מתמקדת פרוטוקולים עבור הכנה באמצעות מיצוי דודי סופר מהירה (RSCE) ובדיקות קטליטי של חומרי אירוג’ל להפחתת זיהום כלי רכב, ומשתמש aerogels המכיל נחושת כדוגמאות.
זרזים-כיוונית (TWCs) הם מועסקים בדרך כלל ציוד להפחתת זיהום מנועי בנזין12. TWCs מודרניים מכילים פלטינה, פלדיום ו/או רודיום, פלטינה-הקבוצה מתכות (ממסרים חיצוניים) שהינם נדירים ולכן יקרים ויקרות לסביבה להשיג. Catalyst חומרים בהתבסס על מתכות זמינים יותר יהיו יתרונות כלכליים וסביבתיים.
ניתן להכין Aerogels רטוב ג’ל באמצעות מגוון של שיטות1. המטרה היא למנוע כיווץ הנקבוביות הממס הוסר מן הג’ל. תהליך המועסקים פרוטוקול זה היא שיטת החילוץ דודי סופר מהירה (RSCE) שבו מתרחשת החילוץ של ג’ל כלוא בתוך תבנית מתכת העיתונות חם הידראולי לתכנות13,14,15, 16. השימוש של תהליך RSCE זה הזיוף של סיליקה אירוג’ל מונוליתים הוכח בעבר פרוטוקול17, שבו הודגש זמן הכנה קצר יחסית הקשורים עם גישה זו. סופר CO2 החילוץ הוא בגישה יותר נפוץ, אבל לוקח יותר זמן ודורש שימוש גדול ממיסים (כולל CO2) מאשר RSCE. קבוצות אחרות פרסמו לאחרונה פרוטוקולים להכנה של מגוון סוגים של ניצול דודי סופר CO2 חילוץ18,19,20aerogels.
. הנה, פרוטוקולים בדיית ולבדיקה catalytically מגוון רחב של סוגי המכיל נחושת aerogels קטליטי מוצגים. מבוסס על ההפחתה לא CO חמצון פעילות דירוג של זרזים הנתמכות על-ידי פחמן מתכת בסיס תחת תנאים לעניין להפחתת זיהום כלי רכב שסופקו על-ידי. Kapteijn et al. 21, נחושת נבחר המתכת קטליטי לעבודה זו. ייצור גישות כוללות (א) העיבור (IMP) של מלחי נחושת לתוך אלומינה או סיליקה ג’ל רטוב11, (ב) באמצעות מלחי copper(II), אלומיניום כמו סימנים מקדימים משותף (Co-P) כאשר בדיית נחושת-אלומינה aerogels6,22, (ג) entrapping חלקיקים המכילים נחושת לתוך מטריצה אירוג’ל סיליקה במהלך ייצור10. בכל מקרה, שיטת RSCE משמש להסרת החומר הממיס של הנקבוביות. מרטיבים ג’ל מטריקס13,14,15.
פרוטוקול עבור הערכה של ההתאמה של חומרים אלה כמו TWCs עבור להפחתת זיהום כלי רכב, באמצעות איחוד קטליטי Testbed (ucat ב)23, מוצג גם. המטרה של מערכת ucat ב, מפתח חלקים אשר מוצגים סכמטי באיור1, היא לדמות את הכימיקל, תרמי, וזרימה תנאים ניסיון ממיר קטליטי מנוע בנזין טיפוסי. פונקציות ucat על ידי שהעביר תערובת הפליטה מדומה דוגמה אירוג’ל בקצב מבוקר טמפרטורה וזרימה. המדגם aerogel הוא נטען לתוך זרם מיטה ארוזה צינורי בקוטר 2.25 ס מתא (סעיף מבחן““), אשר מכיל את הדגימה בין שני מסכי. התא טעון זרימה ימוקם תנור כדי לשלוט גז הפליטה, זרז טמפרטורה, דגימות של פליטה שטופלו (קרי הפליטה זרמו דרך המיטה ארוזים) ואני לא מטופל גז (עקיפת קרי המיטה ארוזים) נבדקים בטווח טמפרטורות עד 700 ˚C. הריכוזים של שלושת מפתחות מזהמים – CO, לא, ו נישרף פחמימנים (HCs) – נמדדים באמצעות מנתח חמש-גז לאחר טיפול על ידי הזרז אירוג’ל, בנפרד, של מטופל זרימה (מעקף““); מנתונים אלה מחושבת ההמרה אחוז ““ עבור כל מזהם. הבדיקה כפי שיתואר בהמשך, פליטה זמינים מסחרית תערובת, תערובת הועסק פליטה נמוכות של קליפורניה הלשכה של כלי רכב תיקון (בר) 97. פרטים מלאים של ucat ב‘s עיצוב ותפקוד מוצגים ברונו ואח23
איור 1. סעיף מבחן ucat ב ומערכות הדגימה. הודפס מחדש באישור 2016-01-0920 (ברונו. et al. 23), זכויות יוצרים 2016 SAE. הבינלאומי. עוד הפצה של חומר זה לא מותרת ללא אישור מראש של SAE. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Protocol
Representative Results
Discussion
השירות של שיטת RSCE להרכבת aerogels קטליטי ומערכת ucat על הפגנת יכולת קטליטי הוכח בזאת. היתרונות העיקריים של פרוטוקולים אלה על פני שיטות אחרות הן את המהירות של RSCE אירוג’ל ייצור הגישה זול יחסית בדיקות קטליטי מאת ucat.
ניתן להכין ג’לים לחלץ באמצעות מגוון שיטות, כולל הספגה של מלחי מתכת אל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פיתוח שיטות סינתזה aerogels קטליטי מומן באמצעות מענק קרן המדע הלאומית (NSF) לא. DMR-1206631. תכנון וביצוע של ucat ב מומן באמצעות ה-NSF גרנט לא. CBET-1228851. מימון נוסף סופק על ידי הקרן האיחוד למכללה סגל מחקר. המחברים גם רוצה להודות התרומות של טובין זכריה, Aude Bechu, ריאן Bouck, אדם Forti ויניקיוס סילבה.
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 |
References
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chem. Rev. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Schneider, M., Baiker, A. Aerogels in Catalysis. Catal. Rev. 37, 515-556 (1995).
- Vallribera, A., Molins, E., Astruc, D. Aerogel Supported Nanoparticles in Catalysis. Nanoparticles and Catalysis. , (2007).
- Amonette, J. E., Matyas, J. Functionalized silica aerogels for gas-phase purification, sensing, and catalysis: A review. Mircopor. Mesopor. Mater. 250, 100-119 (2017).
- Juhl, S. J., Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Madero, J. E., Bono, M. S. Epoxide-Assisted Alumina Aerogels by Rapid Supercritical Extraction. J. Non-Cryst. Solids. 426, 141-149 (2015).
- Bono, M. S., Dunn, N. J. H., Brown, L. B., Juhl, S. J., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Mahony, M. K. Catalyst, Catalytic Converter and Method for the Production Thereof. US Patent. , (2016).
- Smith, L. C., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Preparation of vanadia-containing aerogels by rapid supercritical extraction for applications in catalysis. J. Sol-Gel Sci. Technol. 77, 160-171 (2016).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina Sol Gels: Effects of Heat Treatment on Structure and Catalytic Ability. J. Non-Cryst. Solids. 453, 94-102 (2016).
- Anderson, A. M., Donlon, E. A., Forti, A. A., Silva, V., Bruno, B. A., Carroll, M. K. Synthesis and Characterization of Copper-Nanoparticle-Containing Silica Aerogel Prepared Via Rapid Supercritical Extraction for Applications in Three-Way Catalysis. MRS Advances. , 1-6 (2017).
- Tobin, Z. M., Posada, L. F., Bechu, A. M., Carroll, M. K., Bouck, R. M., Anderson, A. M., Bruno, B. A. Preparation and Characterization of Copper-containing Alumina and Silica Aerogels for Catalytic Applications. J. Sol-Gel Sci. Technol. , (2017).
- Heck, R., Farrauto, R., Gulati, S. . Catalytic Air Pollution Technology. , (2009).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A Fast Supercritical Extraction Technique for Aerogel Fabrication. J. Non-Cryst. Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent No. , (2008).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent. , (2011).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a Rapid Supercritical Extraction Aerogel Fabrication Process: Prediction of Thermodynamic Conditions During Processing. J. Non-Cryst. Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method. J. Vis. Exp. (84), e51421 (2014).
- Harper-Leatherman, A. S., Pacer, E. R., Kosciuszek, N. D. Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity. J. Vis. Exp. (109), e53802 (2016).
- Subrahmanyam, R., Gurikov, P., Meissner, I., Smirnova, I. Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents. J. Vis. Exp. (113), e54116 (2016).
- Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies. J. Vis. Exp. (105), e53235 (2015).
- Kapteijn, F., Stegenga, S., Dekker, N. J. J., Bijsterbosch, J. W., Moulijn, J. A. Alternatives to noble metal catalysts for automotive exhaust purification. Catalysis Today. 16 (2), 273-287 (1993).
- Baumann, T., Gash, A., Chinn, S., Sawvel, A., Maxwell, R., Satcher, J. Synthesis of high-surface-area alumina aerogels without the use of alkoxide precursors. Chem. Mater. 17, 395-401 (2005).
- 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).
- Anderson, A. M., Wattley, C. W., Carroll, M. K. Silica Aerogels Prepared via Rapid Supercritical Extraction: Effect of Process Variables on Aerogel Properties. J. Non-Cryst. Solids. 355 (2), 101-108 (2009).
