急速な超臨界抽出法によって作製した触媒のエアロゲルの作製と試験
Summary
ここで準備とシリカとアルミナのエアロゲル プラットフォームに金属種を組み込むことによって触媒エアロゲルをテストのためのプロトコルを提案する.メソッドを使用して材料を準備するため銅塩、銅含有ナノ粒子を紹介します。触媒試験プロトコルは、3 ウェイ触媒用これらのエアロゲルの有効性を示します。
Abstract
準備および金属種をシリカとアルミナのエアロゲル プラットフォームに組み込むことによって触媒エアロゲルをテスト用のプロトコルが表示されます。3 つの準備方法について説明: (a); 含浸法によるシリカやアルミナの湿潤ゲルに金属の塩(b) 金属の混入が共同の前駆体を用いたアルミナ湿潤ゲルに塩します。及び (c) シリカ エアロゲルの前駆体の混合物に直接金属ナノ粒子添加。メソッドを活用迅速ことができます油圧ホットプレス (< 6 h) 超臨界抽出および低密度 (0.10 g/mL)、高表面積 (200 ~ 800 m2/g) のエアロゲルの結果。仕事は銅塩と銅ナノ粒子の利用に焦点を当ててをこちらに掲載している間、他の金属塩とナノ粒子を使用してアプローチを実装できます。また自動車の汚染軽減のためこれらのエアロゲルの 3 ウェイ触媒能力をテストするためのプロトコルが表示されます。この手法は、特注装置、ユニオン触媒テストベッド (UCAT)、シミュレートされた排気の混合物が温度制御と流量でエアロゲル サンプル上渡されますを使用します。システムは両方酸化性、触媒のエアロゲルの能力を測定し、還元条件ない株に変換することが可能ですし、未燃炭化水素 (Hc) に以下の有害な種 (CO2H2O および N2)。説明したエアロゲルの触媒の結果の例が掲載されています。
Introduction
シリカとアルミナ系エアロゲルがある顕著な特性は、低密度、高気孔率、高表面積、優れた熱安定性と低熱伝導率1を含みます。これらのプロパティは、アプリケーション1,2の様々 な魅力的なエアロゲル材料をレンダリングします。熱安定性とエアロゲルの高表面積を悪用する 1 つのアプリケーションが不均一触媒;いくつかの記事は、このエリア2,3,4、5の文学を確認します。定款又はシリカやアルミナ エアロゲル5,6,7の枠内での触媒活性種のわなに掛ける事を含む、エアロジェル ベースの触媒の作製に多くのアプローチがあります。 8,9,10,11。現在の仕事は急速な超臨界抽出 (RSCE) と自動車の汚染を軽減するためのエアロジェル材料の触媒試験準備のためのプロトコルに焦点を当てて、例として銅含有エアロゲルを使用します。
3 ウェイ触媒 (波長) がガソリン エンジン12汚染軽減装置を採用します。プラチナ、パラジウム、ロジウム、白金族金属 (PGMs) は珍しいモダンな波長を含むため、高価で環境を取得する高価な。容易に利用可能な金属に基づく触媒材料は、重要な経済と環境の利点があります。
エアロゲルは、さまざまなメソッド1を使用して湿潤ゲルから用意できます。目標はゲルから溶媒を除去、孔の崩壊を避けるためにです。このプロトコルの採用プロセスはプログラム可能な油圧ホットプレス13,14,15で金型内に閉じ込められてのゲルからの抽出が発生した高速超臨界抽出 (RSCE) 法 16。シリカモノリス エアロゲルの製造のためこの RSCE プロセスの使用は、以前プロトコル17、このアプローチに関連付けられている比較的短い準備時間が強調されたで実証されています。超臨界 CO2抽出より一般的なアプローチより多くの時間がかかる、RSCE より溶剤 (CO2を含む) の一層の活用が必要です。他のグループは、さまざまな種類の超臨界 CO2抽出18,19,20を利用したエアロゲルの準備のためのプロトコルを公開している最近。
ここでは、製造および触媒触媒エアロゲルの銅含有の各種のテスト用のプロトコルが表示されます。いいえ抑制と Kapteijnらによって提供される自動車の汚染軽減に興味の条件の下で炭素担卑金属触媒の CO 酸化活動ランキングに基づく21、銅は、この作業のための触媒金属に選ばれました。作製方法は、(a) のアルミナまたはシリカ湿潤ゲル11、(b) を使用して銅 (ii) とアルミニウム塩共同前駆体 (Co P) として加工銅-アルミナ ・ エアロゲル6,22, ときに銅塩 (IMP) 含浸(c) 作製10中にエアロゲル シリカマトリクスに銅含有ナノ粒子を封入します。その都度、RSCE メソッドをからの溶媒の除去のため使用はウェットの毛穴ゲルのマトリックス13,14,15。
23ユニオン触媒テストベッド (UCAT) を使用して自動車の汚染を軽減するための波長変換器としてこれらの材料の適合性の評価のためのプロトコルについて述べる。重要な部分は、図 1に図示、UCAT システムの目的は、化学物質、熱をシミュレーションして流動状態の一般的なガソリン エンジンの触媒コンバーターで経験したのです。UCAT 制御温度と流量の率でエアロゲル サンプルでシミュレートされた排気の混合物を渡すことによって機能します。エアロジェル サンプルは 2.25 cm 径鋼管充填フローに読み込まれますセル (“テスト セクション“)、2 つの画面間のサンプルを含みます。読み込まれたフローセルは排気ガスと触媒の温度扱われる排気のサンプルを制御するオーブンに置かれる (すなわち充填層を流れる排気) および未処理ガス (すなわちバイパス充填層) までの温度範囲で検討700 ̊c.汚染物質 – CO、NO、主な 3 つの濃度と未燃炭化水素 (Hc) – エアロゲル触媒によって、個別に、未処理で治療された後 5 ガスアナライザーを使用して測定 (““バイパス) の流れこれらのデータから、各汚染物質の“% 変換“が計算されます。記載テスト、市販排気のブレンド、カリフォルニア州局の自動車修理 (バー) 97 低排出ブレンドが採用されました。完全な詳細ブルーノら23 UCAT‘の s の設計と機能を発表
図 1。UCAT テスト セクションとサンプリング ・ システム。2016-01-0920 (ブルーノらから許可を得て転載23)著作権 2016 SAE インターナショナル。分布をさらにSAE から、事前の許可なくこの生地は許可されません。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
RSCE エアロゲルは触媒の作製法と触媒能力を発揮の UCAT システムのユーティリティがここに実証されています。他の方法でこれらのプロトコルの主要な利点は、RSCE エアロゲル加工の速度と UCAT によって触媒テストするため比較的安価な方法です。
含浸のアルミナまたはシリカ湿潤ゲルのマトリックスに金属塩、アルミニウム塩と共同の前駆体として金属塩の包摂と金属?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
エアロゲルは触媒の合成法の開発資金が供給された国立科学財団 (NSF) 助成金を介して no.DMR 1206631。デザインと UCAT の建設資金が供給された NSF の補助金を通じて no.あわせて 1228851。追加資金は、ユニオン大学学部研究基金によって提供されました。著者はザカリー ・ トービン、オード Bechu、ライアン Bouck、アダム フォルティ、ヴィニシウス シルバの貢献を認めるにも思います。
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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