Microhoneycomb monoliter som utarbetats av den enkelriktade frystorkning av cellulosa Nanofiber baserat Sols: metod och tillägg
Summary
Här presenterar vi ett allmänt protokoll för att förbereda en mängd microhoneycomb monoliter (MHMs) i vilken vätska kan passera med ett extremt lågt tryckfall. MHMs erhålls förväntas användas som filter, katalysator stöder, flödestyp elektroder, sensorer och ställningar för biomaterial.
Abstract
Monolitisk honeycomb strukturer har varit attraktiv för tvärvetenskapliga fält på grund av deras hög styrka-vikt-förhållande. Särskilt, förväntas microhoneycomb monoliter (MHMs) med mikrometer-skala kanaler som effektiva plattformar för reaktioner och separationer på grund av deras stora ytor. Fram till nu, har MHMs utarbetats av en enkelriktad frystorkning (UDF) metod endast från mycket begränsad prekursorer. Häri, rapporterar vi ett protokoll där en rad MHMs som består av olika komponenter kan erhållas. Nyligen hittade vi denna cellulosa nanofibrer funktion som en distinkt struktur-styra agent mot bildandet av MHMs genom UDF processen. Genom att blanda den cellulosa nanofibrer med vatten lösliga ämnen som inte ger MHMs, kan en mängd sammansatta MHMs förberedas. Detta berikar betydligt MHMs kemiska konstitution mot mångsidiga applikationer.
Introduction
Som ett helt nytt material, har microhoneycomb monolit (betecknas MHM) nyligen uppmärksammats enormt från tvärvetenskapliga fält1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. the MHM utarbetades först av S. Mukai et al. genom en modifierad enkelriktad frystorkning (UDF) strategi som en monolit med en rad raka mikrokanaler med honeycomb-liknande tvärsnitt9. MHM äger de allmänna fördelarna med honeycomb strukturer, dvs, effektiv tessellation, hög styrka-to-viktförhållande och lågt tryckfall. Dessutom har jämfört med honeycomb monolit med större kanal storlek, MHM en större mycket specifik yta. UDF metoden innebär enkelriktad tillväxt av iskristaller och samtidiga fasseparation vid frysning. Efter avlägsnande av iskristaller erhålls en fast komponent gjutna av en iskristall. Morfologi som bildas vid fasseparation beror på den inneboende naturen av föregångaren (sol eller gel), och i de flesta fall, lamellen10, fiber11och fishbone12 strukturer är benägna att bilda snarare än MHMs. Som ett resultat, bildandet av MHMs har rapporterats endast i begränsad prekursorer och detta avsevärt har försvårat mångfalden av deras kemiska egendom. Vi har nyligen funnit att cellulosa nanofibrer har en stark struktur-styra funktion mot bildar MHM struktur genom UDF processen13. Helt enkelt genom att blanda den cellulosa nanofibrer med andra vatten-spridbar komponenter, är det möjligt att förbereda en mängd MHMs med olika kemiska egenskaper. Dessutom, deras yttre former och kanal storlekar är flexibelt och enkelt kontrollerad13. MHMs förväntas således användas som filter, katalysator stöder, flödestyp elektroder, sensorer och ställningar för biomaterial.
I detta papper förklara vi först grundläggande förberedelse tekniken med MHMs från aqueous spridning av cellulosa nanofibrer genom UDF processen i detalj. Dessutom visar vi beredning av flera olika typer av sammansatta MHMs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det mest kritiska steget för att uppnå MHMs är enkelriktad frysning steg, under vilken vatten stelnar för att bilda columnar iskristaller och driva dispersoid åt sidan för att bilda ramen. Enkelriktad frysprocessen innebär i princip termisk överföring mellan föregångare sol och kylvätska. I våra setup, var en doppa maskin används för att infoga ett PP rör som innehåller en föregångare sol i kylvätskan (flytande kväve) med en konstant hastighet. Eftersom flytande kväve håller avdunstar hela tiden, g…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete var stöds av nationella grundläggande forskning Program i Kina (2014CB932400), National Natural Science Foundation Kina (nr. 51525204 och U1607206) och Shenzhen grundläggande forskningsprojekt (nr. JCYJ20150529164918735). Dessutom vill vi tacka Daicel-Allnex Ltd. och JSR Co. för vänligt levererande polyuretaner och styren-butadiengummi, respektive.
Materials
| Nadelholz Bleached Kraft Pulp | Seioko PMC company | CSF=600 | |
| TEMPO | Macklin Inc. | T819129 | 98% |
| NaBr | Macklin Inc. | S818075 | AR, 99% |
| NaClO | Aladin Inc. | S101636 | 6-14 wt% active chlorine basis |
| SBR colloid | JSR corp. | TRD102A | 48.5 wt% |
| TiO2 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | A63725402 | crystalline anatase phase |
| carbon fiber | Shenzhen Xian’gu Ltd. | XGCP-300 | |
| Nitric acid | Huada Reagent Ltd. | 7697-37-2 | 65-68 wt% |
| Mixer | Scientific Industries, Inc | G-560 | the mixer |
| Mechanical blender | Waring Lab Ltd. | MX1000XTX | For disintegrating cellulose bundles into nanofibers. |
| Homogenizer | Scientz Ltd. | HXF-DY | For dispersing TiO2 nanoparticles |
| pH meter | Horiba Ltd. | F-74BW |
References
- Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Yoshida, T., Taniguchi, K., Tamon, H. Morphology of resorcinol-formaldehyde gels obtained through ice-templating. Carbon. 43 (7), 1563-1565 (2005).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
- Nishihara, H., et al. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 16 (31), 3231-3236 (2006).
- Mukai, S. R., Mitani, K., Murata, S., Nishihara, H., Tamon, H. Assembling of nanoparticles using ice crystals. Mater. Chem. Phys. 123 (2), 347-350 (2010).
- Cui, K., et al. Self-assembled microhoneycomb network of single-walled carbon nanotubes for solar cells. J. Phy. Chem. Lett. 4 (15), 2571-2576 (2013).
- Xu, T., Wang, C. -. A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3 ceramics prepared by freeze-casting process. J. Eur. Ceram. Soc. 36 (10), 2647-2652 (2016).
- Yoshida, S., et al. CO2 Separation in a flow system by silica microhoneycombs loaded with an ionic liquid prepared by the ice-templating method. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (10), 2834-2839 (2017).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals. Chem. Commun. (7), 874-875 (2004).
- Gutie´rrez, M. C., et al. Macroporous 3D Architectures of Self-Assembled MWCNT Surface Decorated with Pt Nanoparticles as Anodes for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Phys. Chem. C. 111, 5557-5560 (2007).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Morphology maps of ice-templated silica gels derived from silica hydrogels and hydrosols. Micropor. Mesopor. Mat. 116 (1-3), 166-170 (2008).
- Okaji, R., Taki, K., Nagamine, S., Ohshima, M. Preparation of porous honeycomb monolith from UV-curable monomer/dioxane solution via unidirectional freezing and UV irradiation. J. Appl. Polym. Sci. 125 (4), 2874-2881 (2012).
- Pan, Z. -. Z., et al. Cellulose nanofiber as a distinct structure-directing agent for xylem-like microhoneycomb monoliths by unidirectional freeze-drying. ACS Nano. 10 (12), 10689-10697 (2016).
- Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J. -. L., Vigon, M., Isogai, A. Homogeneous Suspensions of Individualized Microfibrils from TEMPO-Catalyzed Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 7 (6), 1687-1691 (2006).
- Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
- Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
- Nishihara, H. . Study on the simultaneous control of the nanostructure and morphology of the porous materials prepared via the ice-templating method [D]. , (2005).
- Zhang, R., et al. Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying. Nano Research. 7 (10), 1477-1487 (2014).
- Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975 (2013).
