Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

خصائص سطح المركبة نانوبوروس الكربون ومصفوفات السليكا

Published: March 27, 2019 doi: 10.3791/58395
Automatic Translation
1, 1,2, 3, 3
1Faculty of Physics, Adam Mickiewicz University, 2NanoBioMedical Centre, 3Department of Physicochemistry of Solid Surface, Faculty of Chemistry, Maria Curie-Skłodowska University

Summary

هنا نحن التقرير التوليفي وتوصيف الكربون نانوبوروس مرتبة (مع حجم مسام 4.6 nm) والترتيبات الاحتياطية-15 (مع حجم مسام 5.3 nm). ويصف العمل السطح والخصائص التكوينية لثقب سيتا الجزيئية نانوبوروس وعلى ويتابيليتي وذوبان سلوك د2س محصورة في المواد.

Abstract

في هذا العمل، نحن التقرير التوليفي وتوصيف لأمر نانوبوروس المواد الكربونية (وتسمى أيضا المواد الكربونية ميسوبوروس أمرت [أمك]) مع حجم المسام شمال البحر الأبيض المتوسط 4.6، ومصفوفة والسليكا أمرت المليئة بالثغرات، والترتيبات الاحتياطية-15، مع حجم مسام شمال البحر الأبيض المتوسط 5.3. هذا العمل ويصف الخصائص السطحية لثقب سيتا نانوبوروس الجزيئية، على ويتابيليتي، وذوبان سلوك د2س محصورة في المواد المسامية مرتبة بطريقة مختلفة مع أحجام المسام مماثلة. لهذا الغرض، جران وسباعي-15 مع مرتبة عالية نانوبوروس هياكل توليفها عبر التلقيح من المصفوفة السليكا بتطبيق سلائف الكربون والأسلوب هلام سول، على التوالي. بنية مسامية نظم التحقيق يتميز بتحليل الامتزاز بالامتزاز2 ن في ك 77. لتحديد حرف الكهروكيميائية لسطح المواد المركبة، تجري قياسات فرق الجهد المعايرة؛ ويبين النتائج التي تم الحصول عليها للمتفاوضين تحولاًبزك الأس الهيدروجيني كبيرة تجاه قيم أعلى من درجة الحموضة، بالنسبة للترتيبات الاحتياطية-15. وهذا يوحي بأن أمك التحقيق لديها خصائص السطح المتعلقة بالمجموعات الوظيفية المستندة إلى الأوكسجين. لوصف الخصائص السطحية للمواد، مصممون أيضا زوايا اتصال السوائل اختراق الأسرة يسهل اختراقها بدرس. وأكد الأسلوب ارتفاع الشعرية ويتابيليتي زيادة الجدران السليكا بالنسبة إلى الجدران الكربون وتأثير خشونة مسام على التفاعلات السائل/الجدار، الذي هو أكثر وضوحاً بالنسبة السيليكا من أجل ميسوبوريس الكربون. وقد درسنا أيضا سلوك ذوبان د2س محصورة في جران وسباعي-15 بتطبيق الأسلوب عازل. تظهر النتائج أن الاكتئاب لدرجة حرارة ذوبان د2س في مسام جران هو حوالي 15 ك أعلى بالنسبة للاكتئاب في درجة حرارة ذوبان في الترتيبات الاحتياطية-15 المسام مع حجم نانومتر 5 قابلة لمقارنة. يحدث هذا بسبب تأثير التفاعلات أدسورباتي/الممتزة من المصفوفات التي شملتها الدراسة.

Introduction

في عام 1992، نانوبوروس أمر السليكا تم الحصول على المواد للمرة الأولى، باستخدام أحد قوالب عضوية؛ ومنذ ذلك الحين، عدد كبير من المنشورات المتعلقة بالجوانب المختلفة لهذه الهياكل، وطرق اصطناعية، التحقيق في ممتلكاتهم، على التعديلات، وقد ظهرت تطبيقات مختلفة في الأدب1،2 ،3. يرجع الاهتمام بالترتيبات الاحتياطية-15 والسليكا نانوبوروس مصفوفة4 نوعية فريدة من نوعها: مساحة سطحية عالية، واسعة المسام مع توزيع حجم مسام موحدة، والخواص الكيميائية والميكانيكية جيدة. نانوبوروس والسليكا مع المسام أسطواني، مثل الترتيبات الاحتياطية-155، غالباً ما تستخدم المواد كمصفوفة مسامية للمواد الحفازة كما هي كفاءة المواد الحفازة في التفاعلات العضوية6،7. المواد التي يمكن توليفها مع طائفة واسعة من الأساليب التي يمكن أن تؤثر على خصائص8،،من910. ولذلك، من الأهمية بمكان لتحسين هذه الأساليب للتطبيقات المحتملة في العديد من المجالات: المخدرات الأجهزة الكهروكيميائية، تكنولوجيا النانو والبيولوجيا والطب، ومنظومات إيصالها، أو في الالتصاق وعلم احتكاك المفاصل. في هذه الدراسة، تعرض نوعين مختلفين من الهياكل نانوبوروس، إلا وهي السليكا والكربون المسامية مصفوفات. مقارنة خصائصها، المصفوفة سباعي-15 يتم تصنيعه باستخدام الأسلوب هلام سول، وهي مستعدة المواد الكربونية نانوبوروس أمرت بالاشباع المصفوفة السليكا الناتجة مع سليفة الكربون.

مواد الكربون المسامية ذات أهمية في العديد من الأجهزة بسبب تلك المساحة السطحية العالية وعلى الخصائص الفيزيائية الفريدة والمعالم6،11،12. إعداد نموذجي ينتج مواد مسامية موزعة عشوائياً وبنية اضطرابه؛ هناك أيضا إمكانية محدودة لتغيير المعلمات العامة المسامية، وهكذا، هياكل مع توزيع حجم المسام واسعة نسبيا ويتم الحصول على13. هذا الاحتمال هو توسيع لمواد الكربون نانوبوروس مع المناطق السطحية العالية وأمرت بأنظمة نانوبوريس. أكثر توقع الهندسة والمزيد من التحكم للعمليات الفيزيائية الكيميائية داخل مساحة المسام مهمان في العديد من التطبيقات: كعوامل حفازة، نظم الإعلام الانفصال، متقدمة المواد الإلكترونية، ونانوريكتورس في كثير من الميادين العلمية14 , 15.

للحصول على النسخ المتماثلة الكربون المسامية، سيليكات أمر يمكن أن تعمل كمصفوفة صلبة التي يتم عرض السلائف الكربون مباشرة. الأسلوب يمكن تقسيمها إلى عدة مراحل: اختيار مادة السليكا المطلوبة؛ ترسب السلائف الكربون في مصفوفة والسليكا؛ الكربنة؛ بعد ذلك، إزالة المصفوفة والسليكا. يمكن الحصول على العديد من أنواع مختلفة من مواد كربونية بهذا الأسلوب، ولكن ليس جميع المواد نونبوروس لها هيكل أمر. هو عنصرا هاما في العملية اختيار مصفوفة مناسبة نانوبوريس التي يجب أن تشكل هيكل مستقر، ثلاثية الأبعاد16.

في هذا العمل، ويجري التحقيق في تأثير نوع الجدران المسامية على الخصائص السطحية لمصفوفات نانوبوروس المركبة. الخصائص السطحية للمواد أمك ترد حسب الخصائص السطحية من السليكا التناظرية (سباعي-15) للمتفاوضين. الخصائص الهيكلية والتكوينية لكلا النوعين من المواد (جران وسباعي-15) تتميز بدرجات الحرارة المنخفضة ن2 قياسات الامتزاز/الامتزاز (على ك 77) ومجهر إلكتروني (TEM) (تحليل الأشعة السينية المشتتة الطاقة EDX).

قياس الامتزاز بالامتزاز/الغاز درجات الحرارة المنخفضة واحدة من التقنيات الأكثر أهمية خلال توصيف المواد المسامية. غاز النيتروجين أدسورباتي بسبب أن درجة نقاء عالية وإمكانية إنشاء تفاعل القوى مع الممتزات الصلبة. من المزايا الهامة لهذا الأسلوب هي معدات سهلة الاستعمال التجاري وإجراءات تجهيز البيانات سهلة نسبيا. تحديد النيتروجين بالامتزاز/الامتزاز إيسوثيرمس يستند إلى تراكم الجزيئات أدسورباتي على سطح الممتزة الصلبة في ك 77 في طائفة واسعة من الضغط (P/P0). يتم تطبيق الإجراء باريت، Joyner، وهاليندا (بجه) لحساب توزيع حجم المسام من إيسوثيرمس الامتزاز أو الامتزاز التجريبية. وتشمل الافتراضات الأكثر أهمية من الأسلوب بجه على سطح مستو وتوزيع حتى أدسورباتي على السطح التحقيق. ومع ذلك، تستند هذه النظرية في المعادلة كلفن ويبقى الطريقة الأكثر استعمالا لحساب توزيع حجم المسام في النطاق ميسوبوروس.

تقييم الطابع الكهروكيميائية للعينات، يتم تطبيق أسلوب معايرة فرق الجهد. كيمياء المواد السطحية يعتمد على المسؤول عن سطح تتصل بوجود heteroatoms أو المجموعات الوظيفية على السطح. خصائص السطح أيضا التحقيق بتحليل زاوية الاتصال. ويتابيليتي داخل المسام يوفر معلومات حول التفاعلات الممتزة أدسورباتي. هو دراسة تأثير خشونة الجدار على درجة حرارة ذوبان المياه المحصورة في كلا العينتين مع تقنية التحليل الطيفي (DRS) الاسترخاء عازل. قياسات الثابت عازل تسمح التحقيق من ذوبان الظواهر الاستقطابية للسائل ومراحل صلبة تختلف عن بعضها البعض. تغيير في منحدر الاعتماد على درجة الحرارة من السعة يظهر حدوث ذوبان في النظام.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-إعداد مواد جران

  1. توليف لمصفوفة السليكا كمراقبة السلائف
    1. إعداد 360 مل من 1.6 M HCl بإضافة 50 مل HCl (36%-38%) في قارورة مستديرة قاع 500 مل، ومل 310 آنذاك، إضافة للماء عالي النقاوة (المقاومة ل 18.2 MΩ·cm).
    2. إضافة إلى ذلك، 10 غم PE 10500 البوليمر (6.500 g/mol).
    3. مكان قارورة في حمام الموجات فوق الصوتية. الحرارة الحل إلى 35 درجة مئوية ويقلب عليه حتى تماما حل البوليمر الصلب، مما يجعل خليط متجانس.
    4. إضافة 10 جرام من 1,3,5-تريميثيلبينزيني قارورة ويقلب المحتوى (بمعدل التحريك 220 لفة في الدقيقة) بالإبقاء عليه في 35 درجة مئوية في حمام الماء.
    5. بعد التحريك لمدة 30 دقيقة، إضافة 34 غرام من الرصاص رباعي الإيثيل orthosilicate (توس) إلى قارورة. إضافة توس ببطء ودروبويسي مع التحريك المستمر. ضمان أن يستغرق 10 دقيقة لإضافة ز 34 من توس.
    6. يقلب الخليط الحل مرة أخرى ح 20 في نفس درجة الحرارة (35 درجة مئوية).
    7. نقل محتويات قارورة في خرطوشة تترافلوروايثيلين ووضعه في اﻷوتوكﻻف. اترك الحل ل 24 ساعة عند 90 درجة مئوية.
    8. تصفية متسرعا الناتجة عن ذلك، باستخدام قمع [بشنر]، وتغسل بالماء المقطر، استخدام لعلي الأقل 1.
    9. الجافة الصلبة التي يتم الحصول عليها في درجة حرارة الغرفة، وتنطبق معالجة حرارية للعينة عند 500 درجة مئوية، باستخدام فرن دثر في جو هواء ح 6.
  2. الإشباع من المصفوفة السليكا الناتجة عن ذلك، استخدام سليفة الكربون
    1. إعداد الحلول التشريب (IS1 و IS2) بنسب مناسبة من المياه، وحامض الكبريتيك م 3 (سادسا)، والسكر (الجلوكوز)، حيث الجلوكوز يلعب دور السلائف الكربون وحمض الكبريتيك ويعمل كمحفز.
      تنبيه: حمض الكبريتيك سامة جداً، وأنه يسبب حروق الجلد شديدة وتلف العين.
      1. إعداد IS1. لكل غرام من السليكا، مزيج 5 غ الماء وز 0.14 م 3 حمض الكبريتيك (سادسا) 1.25 غرام من السكر.
      2. إعداد IS2. لكل غرام من السليكا، مزيج 5 غ الماء وز 0.08 من حامض الكبريتيك م 3 (سادسا) ز 0.75 للسكر.
    2. وضع مادة السليكا (ز 1) وحل استعداد IS1 السلائف الكربون والعامل الحفاز في قارورة 500 مل. تسخين المزيج في مجفف فراغ عند 100 درجة مئوية ح 6.
      ملاحظة: في هذه الخطوة، استخدم فقط IS1. وينبغي تطبيق IS2 في الخطوة التالية.
    3. إضافة IS2 إلى الخليط في فراغ مجفف (للحل مع السلائف الكربون متفحمة جزئيا). حرارة الخليط مرة أخرى في مجفف الفراغ على 160 درجة مئوية ح 12.
  3. تلطيف الكربنة
    1. نقل المركبة التي يتم الحصول عليها بمدافع هاون تشتت الجسيمات الأكبر حجماً وتجانس المواد.
    2. ضع المنتج التي تم الحصول عليها في الفرن التدفق والحرارة إلى 700 درجة مئوية (بمعدل تسخين قدرة 2.5 درجة مئوية/دقيقة) والحرارة ح 6 في درجة الحرارة هذه. تسخين المواد في جو من نيتروجين.
    3. السماح بأن الحل لتبرد قبل فتح الفرن.
  4. إزالة المصفوفة السليكا بالنقش
    1. تحضير 100 مل من النقش الحل (ES). مزيج 50 مل من الكحول الاثيلي 95% و 50 مل من الماء. إضافة 7 غرام هيدروكسيد البوتاسيوم ويحرك حتى يذوب عليه.
    2. الجميع الحصول على مواد متفحمة (على الأقل 1 ز) في قارورة مستديرة قاع 250 مل المكان وإضافة 100 مل وفاق.
    3. توريد نظام مكثف ارتداد ومحرض المغناطيسية والحرارة ليغلي مع التحريك باستمرار. يغلي الخليط على ح 1.
    4. نقل المواد التي تم الحصول عليها إلى القمع [بشنر] وغسله مع مالا يقل عن 4 لتر ماء المقطر والجافة.

2-إعداد مصفوفة سباعي-15 والسليكا

  1. تجميع مصفوفة والسليكا.
    1. إعداد 150 مل HCl 1.6 متر.
    2. 4 غرام بوليمر PE 6400 (EO70EO13ص13) في 150 مل من محلول حمض في قارورة مستديرة القاع حل.
    3. مكان قارورة في حمام الموجات فوق الصوتية. الحرارة الحل إلى 40 درجة مئوية وآثاره من حيث أنه يمكن حل البوليمر (على الأقل لمدة 30 دقيقة).
    4. ببطء بإضافة ز 8.5 من توس إلى قارورة، دروبويسي، مع التحريك المستمر. يقلب الخليط حل أجل 24 ساعة على نفس درجة الحرارة (40 درجة مئوية).
    5. نقل محتويات قارورة لخرطوشة تترافلوروايثيلين. اترك الحل ل 24 ساعة في فرن 120 درجة مئوية.
    6. تصفية متسرعا الناتجة عن ذلك، باستخدام قمع [بشنر]، وغسله بماء مقطر (على الأقل 1 لتر).
    7. الصلبة التي يتم الحصول عليها في درجة حرارة الغرفة والمكلسن ح 6 في 600 درجة مئوية، باستخدام فرن دثر في جو هواء الجاف.

3-أساليب توصيف

  1. قياسات الامتزاز/الامتزاز النيتروجين درجات الحرارة المنخفضة
    1. استخدام محلل امتصاص تلقائي الحصول على N2 إيسوثيرمس الامتزاز/الامتزاز في 77 ك.
    2. استخدام أنبوب زجاج مناسبة لقياس امتصاص النيتروجين. قبل إضافة العينة المسامية لأنبوب الزجاج، تنظيف الأنبوب في غسالة الموجات فوق الصوتية وشطف الأولى مع الماء المقطر، والقادمة، مع الإيثانول اللامائى.
    3. حرارة أنبوب الزجاج عند 150 درجة مئوية ح 3 وملء الأنبوب بالنيتروجين مضغوط. وزن أنبوب زجاج فارغة ظروف النيتروجين قبل القياس إلى تقليل الوزن الخطأ.
    4. ضع العينة في أنبوب زجاج ووزن الكتلة الإجمالية (كتلة العينة مع أنبوب الزجاج).
    5. قبل القياسات، ديغا العينة. وضع أنبوب الزجاج مع العينة في منفذ كبسولة من محلل الامتزاز. تنطبق الشروط العملية التالية: ضغط على الأقل 0.01 ملم زئبق، درجة حرارة ك 423، ومدة 24 ساعة. في الميناء كبسولة، الاتصال العينة للفراغ والحرارة من درجة حرارة مجموعة (ك 423). بعد جليحه، ملء النموذج مع النيتروجين ونقلها إلى ميناء التحليل.
  2. مجهر إلكتروني
    1. استخدام المجهر تيم مع 120 كيلو فولت (للترتيبات الاحتياطية-15) و 200 كيلو فولت (للمواد جران) الفولتية المتسارع لجمع الصور تيم ذات نوعية جيدة.
    2. لإعداد فيلم مونوديسبيرسي من العينة، تفريق العينة (1 ملغ) في الإيثانول (1 مل). تنفيذ الإجراء التشتت في أنبوب ميكروسينتريفوجي بوضعه في حمام الموجات فوق الصوتية لمدة 3 دقائق.
    3. مكان نقطتين التشتت على شبكة TEM نحاس باستخدام ميكروبيبيتي. نقل الشبكة TEM المجهر تيم والبدء في تصوير تيم.
  3. مطيافية الأشعة السينية المشتتة الطاقة
    1. استخدام المسح الإلكتروني المجهري مجهز كاشف الأشعة سينية للحصول طيف الأشعة سينية المشتتة الطاقة من العينات.
    2. تنطبق جهد تسارع 15 كيلو فولت لحصاد الطيف. حدد السيليكون كالعنصر الأمثل للترتيبات الاحتياطية-15 والكربون للعينة المتفاوضين.
  4. قياس فرق الجهد المعايرة
    1. استخدام سحاحة تلقائي لإجراء تجربة المعايرة فرق الجهد. إضافة تيترنت في أجزاء صغيرة والخاضعة للرقابة (وفقا لبرنامج المعايرة والإجراء). توفير الزيادة أصغر، على الأقل 1 ميكروليتر، بوثائق جرعات تلقائي.
    2. تفريق 0.1 غرام العينة في 30 مل حل اﻻلكتروﻻيت (حل المياه من 0.1 متر كلوريد الصوديوم). استخدام محرض المغناطيسية وظروف متحاور (293 ± 0.1 ك) أثناء الإجراء التشتت.
    3. إضافة 1-2 مل تيترنت (محلول هيدروكسيد الصوديوم 0.1 M) إلى التعليق.
      ملاحظة: إجراء الإضافة في مختبرين صغيرة (كل إلى حوالي 0.05 مل). سحاحة التلقائي الإجراء ينبغي توفير مالا يقل عن اثني عشر نقاط تجريبية في الرقم الهيدروجيني النطاق من 1 إلى 14.
    4. حساب الكثافة السطحية من تهمة سs، باستخدام الصيغة التالية.
      Equation 1(1)
      هنا،
      Δn = التغير في رصيد ح+/OH– تخفيض كل كتلة من العينة؛
      Sالرهان = مساحة السطح برنار-اميت-الصراف (بيت) من الحالة الصلبة المسامية؛
      F = عدد فاراداي.
  5. أسلوب ارتفاع الشعرية لقياسات ويتابيليتي
    1. لتحديد زاوية الاتصال داخل مسام العينات التي شملتها الدراسة، استخدم الأسلوب ارتفاع الشعرية.
      ملاحظة: يستند هذا الأسلوب على قياس الارتفاع الشامل للسائل، الذي هو اختراق السرير المسامية، الدالة للوقت. الافتراض الرئيسي من هذا الأسلوب يستند إلى حقيقة أن تتقدم باختراق السائل في العمود المليئة بالثغرات ويتكون هذا العمود من الشعيرات الدموية intergranular مع دائرة نصف قطرها متوسط معينة. وهكذا، كل علاقة اشتقاق لشعري واحد صالحة لطبقة مسحوق المليئة بالثغرات. في شعري رأسي واحد، يطفو السائل المرطب ضد قوي الجاذبية نتيجة لاختلاف الضغط بين السائل والبخار في المسام (ضغط الشعرية). في هذا المعني، اختراق السائل السرير المسامية يسمح تحديد زاوية الاتصال دفع الدينامية داخل المسام.
    2. تطبيق اشبورن معدلة للمعادلة17،18، أعرب ما يلي.
      Equation 2(2)
      هنا،
      m = كتلة السائل المقاسة؛
      ج = المعلمة هندسية تعتمد على التوزيع، وشكل وحجم المسام؛
      Ρ = الكثافة؛
      Γl= التوتر السطحي؛
      Η = اللزوجة من اختراق السائل؛
      Θ = زاوية الاتصال؛
      t = الوقت.
    3. باستخدام المعادلة (2)، تقدير قيم الزوايا الاتصال الزاحفة داخل المسام درس.
    4. إعداد tensiometer القوة. للمساحيق، واستخدام أنبوب زجاج يبلغ قطرها 3 مم ولبيده سيراميك؛ للسائل، استخدام سفينة مع قطر من 22 ملم وكمية الحد أقصى من 10 مل.
    5. قياس 0.017 ز للعينة.
    6. ابدأ تشغيل برنامج جهاز الكمبيوتر متصلاً tensiometer. وضع سفينة مع السائل في مرحلة المحركات وتعلق الأنبوبة الزجاجية مع العينة على توازن إلكتروني.
    7. بدء تشغيل المحرك وتبدأ تقترب من السائل في السفينة مع العينة بمعدل ثابت منخفض من 10 ملم/دقيقة؛ تعيين عمق الغمر أنبوب عينة إلى يساوي 1 مم السائل.
    8. من هذه اللحظة، الاعتماد على م2 = f(t) سجلات في البرنامج الحاسوبي.
    9. إيقاف التجربة عند الاعتماد على م2 = f(t) يبدأ إظهار الهضبة المميزة.
    10. تحقق للتأكد من دقتها بتكرار هذا الإجراء 3 س-5 س.
  6. مطيافية الاسترخاء عازل
    1. لوصف سلوك ذوبان المياه المحصورة داخل المصفوفات المسامية التي درست، إجراء قياسات درجات الحرارة من السعة الكهربائية ج العينة موجودة في مكثف موازية لوحة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ19، 20 , 21-لقياس السعة ج كدالة لدرجة الحرارة، وتواتر الحقل الكهربائي دوري التطبيقية، استخدام محلل مقاومة.
      ملاحظة: يتم تعريف سماحية كهربائية معقدة كاليورو * = اليورو '+ iε ''، حيث اليورو' = جج0 هو الحقيقي، واليورو '' = δ·ε تيراغرام' هو جزء تخيلي من سماحية، حيث ج0 هو السعة لإفراغ δ مكثف و الدرقيهي الخسائر عازل.
    2. وضع العينة المقاسة في لوحة مكثف.
    3. تحديد نطاق الترددات من 100 هرتز إلى 1 ميجا هرتز ودرجة حرارة من 140 ك إلى 305 ك. التحكم بمعدل درجة الحرارة تتغير مع وحدة تحكم درجة الحرارة؛ تعيين معدل درجة الحرارة يساوي 0.8 ك/دقيقة أثناء التبريد و 0.6 K/دقيقة أثناء عملية التدفئة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وسجلت إيسوثيرمس لوصف بنية مسامية من عينات التحقيق من المتفاوضين وسباعي-15،2 ن الامتزاز-الامتزاز في 77 ك. التجريبية ن2 الغاز الامتزاز بالامتزاز إيسوثيرمس تميز نظم التحقيق، فضلا عن توزيع حجم المسام (مديرية الأمن العام) التي تم الحصول عليها من بيانات الامتزاز والامتزاز، ترد في الشكل 1A-د. ويشير موضع نقطة انعطاف في إيسوثيرمس الامتزاز (الشكل 1 أ، ج) إلى الضغط الذي يبدأ عملية ملء ميسوبوري. وهذه المعلومات ضرورية لحساب حجم المسام يعني ومديرية الأمن العام (الشكل 1 باء، دال)، ووفقا للمعادلة كلفن.

الشكل 2 ألف ج- يعرض صور تيم المتفاوضين. الشكل 2D ويعرض ، ه الصور تيم العينة سباعي-15. واستخدمت ميكروجرافس TEM تم الحصول عليها لتقييم نوعية المواد المركبة وتأكيد بنية سداسية ثنائي الأبعاد. تفسير الصور تيم يتيح تقدير أحجام المسام ومقارنة القيم مع البيانات المستمدة من قياسات الامتزاز (الشكل 1).

ويبين الشكل 3 توزيع سطح تهمة الكثافة لمادة الكربون والسليكا. خصائص السطوح وواجهات تدعم ومصفوفات الصلبة أثر حاسم على خصائص مواد التحقيق وعلى العمليات الفيزيائية والظواهر على سطحها أو في المناطق المجاورة لهم. تحقيق تجريبي للخصائص السطحية، مثل كثافة تهمة السطحية، ويبدو أن المناسبة وقيمة بالنسبة للتحقيق في كيفية التأثير على خصائص السطح (الوجود وأنواع من المجموعات الوظيفية) المادة الكيميائية التحقيق والمادية الظواهر. على وجه الخصوص، الخصائص السطحية المتعلقة بالكيمياء السطحية من مواد الكربون تعتمد بتهمة السطحية التي يحددها heteroatoms (مثل الأكسجين أو النيتروجين) والتأثير ويتابيليتي، وخصائص أدسوربتيفي، الكهروكيميائية و ميزات الحفاز، وأخيراً، السلوك حمض-قاعدة وماء مسعور. تحليل الموقف المسؤول نقطة من الصفر بمقياس الأس الهيدروجيني يوفر معلومات حول الحموضة للنظام؛ انخفاض الأس الهيدروجينيبزك القيمة، أكثر حمضية العينة.

الشكل 4A بيبين المشتتة الطاقة تيم نموذجي الأشعة السينية الطيفي (EDS) الأطياف للعينة أمك توضح تفاعل شعاع الإلكترون حادث بالعينة، مما يولد الأشعة السينية مع الطاقات المميزة لعدد الذرية من العناصر. دي إس ال أداة قوية لتحديد التركيب الكيميائي. الشكل 4 يبين نتائج بطولة العالم للمواد سباعي-15. قيمة طاقة الإشعاع مميزة قادمة من العينة يسمح تحديد العناصر الواردة في العينة المدروسة، في حين أن كثافة (ارتفاع القمم في الطيف) يتيح تحليل نوعي لمحتوياته ( 4 الشكل).

ويصور الشكل 5 نتائج قياسات زوايا الاتصال داخل نانوبوريس جران (الشكل 5A) والترتيبات الاحتياطية-15 (الشكل 5B)، الإشارة إلى ويتابيليتيس في سلسة حرارية عالية موجها الجرافيت (هوبج) والزجاج ركائز، على التوالي. واستخدمت زجاج السليكا سلسة من الناحية المثالية السطحية والجرافيت هوبج كسطح جرافيت سلس. قياس الزوايا الاتصال تظهر كدالة للمعلمة ترطيب مجهرية αw والسليكا مستو السلس، وسطح الجرافيت، والمواد الخام نانوبوروس. يمكن العثور على قيم αw للسوائل في هذه ركائز والسليكا والجرافيت (الشكل 5 أ، ب) استناداً إلى المعادلة التالية.

Equation 3(3)

هنا،
مهاجممن اليورو، و اليوروفرنك فرنسي = أعماق الطاقة من إمكانات لينارد جونز؛
Σمهاجم = طول التصادم المحتملة لينارد جونز؛
Ρw = عدد الذرات الصلبة كل وحدة التخزين؛
Δ = المسافة بين الطبقات الفاصلة في الركازة.

يتم أخذ هذه القيم من الكتابات المنشورة سابقا22،،من2324. يسمح بقياس ويتابيليتي وصف التفاعلات أدسورباتي/الممتزة. إلى جانب فرق الجهد المعايرة والتحليل EDX، يوفر قياس ويتابيليتي وصف كامل للخصائص السطحية لنموذج معين. انخفاض زاوية جهة الاتصال، كلما زادت ويتابيليتي، مما يعني أن التفاعل جزيء السائل اختراق السطح درس أقوى (الشكل 5 أ، ب).

ويبين الشكل 6 الكسور خشونة و محسوبة من كسي-باكستر النموذجي25مقابل المعلمة ترطيب المجهري للكربون نانوبوروس (جران؛ الشكل 6A) والسليكا (سباعي-15؛ الشكل 6B) مصفوفة. ونحن نفترض أن يحدث التبول على الأسطح الخام وفقا للآلية كاسي-باكستر (أي، الحبرية السائل لم تخترق التجاويف إنما هو على رأس المخالفات [كما هو موضح في insets من الشكل 5A، ب ]). وفي هذا النموذج، يوصف زاوية الاتصال في θ السطحية الخامp : 

cosθp = f(1 + cosθ)-1 (4)

هنا،
Θ = قيمة زاوية الاتصال على الركازة نونبوروس سلس (الزجاج)؛
f = هو جزء صغير سطح المسامية التي على اتصال مباشر مع واجهة السائل.

أنها تستحق تقييم خشونة الكسور و (المعادلة 4) الذي يعمل بمثابة عامل تصحيح لتفسير القياسات الزاوية الاتصال لجزيئات السائل مع سطح العينة في المسام.

ويعرض الشكل 7 نتائج التحليل الطيفي عازل للمياه الديوتيريوم محصورة في العينات المدروسة للمتفاوضين (الشكل 7 أ)، والترتيبات الاحتياطية-15 (الشكل 7). وتوضح هذه الاعتماد درجة الحرارة من القدرة الكهربائية ج لكل العينات (الشكل 7 أ، ب). في الحالة الصلبة من المواد القطبية، يختفي الاستقطاب أورينتاشونال، واليورو ثابت تساوي ن2، حيث أن n هو الانكسار للمادة. الزيادة الحادة مرئية في المنحنيات-T Cيشير إلى ذوبان المرحلة الانتقالية التي تحدث في النظام. درجة الحرارة للزيادة الشاذة للدالة-T Cيسمح تصميم melting point السوائل السائبة ونقطة الانصهار في مسام العينة التي شملتها الدراسة.

Figure 1
الشكل 1: N التجريبية2 الامتزاز/الامتزاز الايسوثرم الأرض في ك 77 وتوزيعات المسامية ب أسلوب (بجه) باريت، Joyner، وهاليندا7,26,27. للمواد الكربونية نانوبوروس (A و B) و (C و D) المواد سباعي-15 والسليكا. إظهار الحلقات التباطؤ المميزة، وتوفير معلومات حول الشكل إيسوثيرمس النيتروجين والمسام توزيع حجم المسام درس. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: تيم الصور توضح بنية قنوات مرتبة نانوبوروس. (أ - ج) صور تيم من الكربون نانوبوروس على طول الاتجاه (001) في تكبير مختلفة. (د - ه) هيكل الترتيبات الاحتياطية-15. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: نتائج المعايرة فرق الجهد للمتفاوضين وسباعي-15 (الاعتماد على درجة الحموضة من كثافة الشحن السطحي). الاعتماد على السطح مقابل الكثافة من الأس الهيدروجيني يوضح الاختلافات في الحرف الكهروكيميائية لكل من المواد؛ نقطة بزك يوفر معلومات حول عدد المواقع الحمضية على سطح العينة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
رقم 4: أمثلة من الأطياف تيم-EDS وتحليل EDS. (أ و ب) الأطياف EDS للعينة جران، سجلت من مجالين مختلفين تم وضع علامة على الصورة تيم. (ج) EDS الأطياف ونتيجة التحليل الكمي للعينة سباعي-15. النتائج الكمية لتحليل EDS تعطي معلومات عن الوجود عناصر في المجموعات الوظيفية المسؤولة مفاعليه السطحية؛ هذا أسلوب مكمل للمعايرة فرق الجهد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الشكل 5: الاتصال زوايا مقابل المعلمة ترطيب مجهرية تقاس داخل المصفوفات التي يسهل اختراقها. (أ) نانوبوروس الكربون (جران) ومصفوفة السليكا (سباعي-15) (ب)، المشار إليها بوصفها زوايا الاتصال مقابل وظيفة المعلمة ترطيب المجهرية هوبج السلس وركائز الزجاج، على التوالي. يشير إلى ويتابيليتي على الأسطح المسطحة ويتابيليتي داخل المسام ويقدم بعض المعلومات عن التأثير خشونة مسام في التفاعلات أدسورباتي/الممتزة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الرقم 6: حساب الكسور خشونة و من كسي-باكستر نموذج مقابل المعلمة ترطيب مجهرية. الكربون (A) نانوبوروس (جران) ومصفوفة السليكا (سباعي-15) (ب). يسمح تطبيق نموذج كاسي-باكستر ويتابيليتي تفسير زوايا الاتصال على ركائز المسامية الخام. وصف الكسور و محسوبة من هذا النموذج أن النسبة المئوية لاشتراكات الجدار المسامية التي على اتصال مباشر بسطح السائل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
الشكل 7: درجة حرارة الاعتماد من السعة الكهربائية د2س المياه المحصورة داخل المصفوفة مسامية جران وسباعي-15- جران (A) ومصفوفة المسامية (ب) الترتيبات الاحتياطية-15. تفسير الدالة-T Cيسمح تحديد درجة الحرارة لمرحلة الانتقال من د2س في المسام والسائبة التي تحدث في النظام قيد الدرس. زيادة في ج-T دالة تؤدي إلى الزيادة في درجة الانصهار لكل المياه بالجملة ويقتصر الماء داخل المسام. قيمة التحول نقطة انصهار لفي المسام بالنسبة للجزء الأكبر يعتمد على التفاعلات الجزيئية المضيف/الضيف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

عينة المساحة السطحية (Sالرهان)  حجم المسام توزيع حجم المسام
(/g2م) (/g3سم) (نيو مكسيكو)
Sمجموع هيئة التصنيع العسكريSب Vمجموعج Vهيئة التصنيع العسكريب دحد دمو (نلدفت)ه دمو(بجه)و
جران 757 23 0.87 0.006 4.6 0.4 3.9
15-سباعي 460 16 0.6 0.004 5.3 * 5.5

الجدول 1: حساب قيم المعلمات التكوينية التي تصف بنية مسامية من الكربون نانوبوروس مرتبة وسباعي-15 والسليكا من ن 2 الامتزاز إيسوثيرمس. أ بيت المساحة المحسوبة باستخدام النقاط التجريبية في الضغط النسبي (P/P0) 0.035-0.31، حيث P و P تتم الإشارة إلى0 كضغط التوازن والتشبع من النيتروجين. ب المساحة والمسام حجم ميكروبوريس المحسوبة بواسطة الأسلوب تي-مؤامرة مع سمك إحصائية مجهزة في النطاق من 3.56 إلى 4.86. جالمسام إجمالي حجم حسابها بواسطة 0,0015468 x كمية النيتروجين تمتز في ع/ع0 = 0.99. د أقطار مسام الهيدروليكية محسوبة من الرهان على سطح المناطق والمسام وحدات التخزين وفقا للمعادلة: دح = 4V/S. ه يقدر قطر المسام من مديرية الأمن العام الحد الأقصى من الناحية النظرية الوظيفية غير محلي الكثافة (نلدفت). حسابات نلدفت أجريت باستخدام تسوية أوضاع غير سالب 0.001 وهندسة أسطواني المسام كنموذج للكربون المسامية. و يقدر قطر المسام من الأسلوب بجه (نفس النتائج للبيانات الامتزاز والامتزاز). * الافتقار إلى قيم أقطار مسام من سباعي-15 المقدر من الأسلوب نلدفت. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتشمل الخطوات الحاسمة خلال إعداد المواد الكربونية ميسوبوروس أمر إعداد مواد السيليكا ميسوبوروس أمرت كالقالب مع المعالم الخصائص الهيكلية التي تؤثر على خصائص المواد النهائية الخطوة تلطيف الكربنة في إطار جو من نيتروجين. تعديل للطريقة النموذجية لإعداد ميسوبوروس أمر سليكاتات مع شواغل28 المسام أسطواني تطبيق عامل توجيه هيكل غير النموذجية هو بوليمر PE10500، لتحسين الهيكلية خصائص المواد. بنية مسامية ثلاثية الأبعاد ومترابطة ومستقرة من القالب ضروري لإعداد مواد الكربون ميسوبوروس. وعلاوة على ذلك، عائقا رئيسيا للإعداد هو المطلب الأساسي لعلاج إزالة قالب نموذج. يمكن أن تؤثر على خصائص المواد الكيميائية المستخدمة في هذه الخطوة على سطح الكربون ووظائفه. وفقا للاستراتيجية المعروضة، يستند إعداد النسخ المتماثل السلبية للمتفاوضين القالب ميسوبوروس مرتبة صلبة. التحكم في حجم المسام وترتيب متماثل مصممون ببساطة استخدام قالب والسليكا ولا ترتبط بالتفاعل بين السلائف الكربون والقالب. تم تبيان إمكانات جران لمختلف الأنظمة الكهروكيميائية في29،الأدب30. إليه التشريب قدم في هذا العمل المسؤولة عن عملية سهلة لدقة تكرار بنية القالب والسليكا السلبية. طبيعة الإجراء القالب الثابت الذي يضمن أن ظواهر انحلال حراري أقل ضررا لهيكل العادية وأمرت. وعلاوة على ذلك، هذا الأسلوب يسمح المعدة أسهل المواد جران شكلت داخل القالب صلبة.

الايسوثرم الامتزاز بالامتزاز/2 ن التجريبية (الشكل 1 أ، ج) استخدمت للحصول على معلومات أولية عن نوع وحجم المسامية. وأكد وضوح الطابع نانوبوروس لهذه المواد. تشير إلى زيادة طفيفة في كمية النيتروجين تمتز في المرحلة الأولى من العملية (في نطاق الضغط النسبي أدناه 0.03) وعن زيادة كبيرة في نطاق مزيد من الضغط النسبي (لا سيما في نطاق ميسوبوريس) وجود عدد كبير من ميسوبوريس وانعدام، أو عدد صغير جداً من ميكروبوريس. إيسوثيرمس الامتزاز بالامتزاز الحصول على هذه المواد نموذجية من النوع الرابع (البحتة تصنيف31)، الذي انعكاس صحيح لنظام قناة ميسوبوروس الكربون مع مرحلة تكثيف شعرية حادة في نسبة متوسطة الضغط (0.45-0.9 P/P0). موقف الخطوة التكثيف الشعرية يتوافق مع حجم الأولية ميسوبوريس (حوالي 4-5 نانومتر). العينة الكربون التحقيق المعارض أيضا مساحة سطحية محددة عالية (757 م ·g2-1) ووحدة تخزين كبيرة المسامية (0.87 سم ·g3-1).

الخطوات الحاسمة خلال النيتروجين بالامتزاز/الامتزاز القياسات هي خطوة تحديد عينة أسلحة دقيقة جداً وديغا خطوة بما فيه الكفاية. تم إجراء القياس وفقا للمبادئ التوجيهية المناسبة. ورغم أن تحديد مساحة السطح وتوزيع حجم المسام يرتكز على القياسات فيسيسوربشن، تفسير إيسوثيرمس التجريبية ليست دائماً مباشرة.

أثناء حساب ميسوبوريس حجم التوزيع، بتطبيق معادلة معدلة كلفن (والذي هو أساس النظرية)، من الضروري قبول افتراض مسام جامدة من الشكل محددة تحديداً جيدا. وعلاوة على ذلك، يظل نطاق صلاحية معادلة كلفن وتفسير الحلقات التباطؤ في إيسوثيرمس المشاكل التي لم تحل بعد. إمكانية تيسير تتصل بتطبيق الأساليب التجريبية لتحليل الايسوثرم (مثلاً،αs-الأسلوب29،30،،من3132، 33،34). ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة استخدام الامتزاز البيانات التي تم الحصول عليها مع المواد المرجعية نونبوروس.

الشكل 1B ويعرض ميسوبوريس توزيع حجم العينات المدروسة (PSD) ، د . افتراض نظرية بجه يسمح بتحديد ميسوبوريس حجم التوزيع. المنحنى PSD المعروضة في الشكل 1B يوحي بأن العينة الكربون الواردة ميسوبوريس أحجام 3.5-4 نانومتر، بينما تمتلك سباعي-15 المسام التي يبلغ قطرها حوالي 5 نانومتر (انظر الشكل 1). من المثير للاهتمام، للعينة جران، تحسب الحدود القصوى منحنيات توزيع حجم المسام من الامتزاز والبيانات الامتزاز متشابهة جداً. مثل اتفاق دقيق بين النتائج، وفي ضوء آليات مختلفة لظواهر الامتزاز والامتزاز، أدلة على طابع جداً مرتبة وموحدة للمواد. ويرد في الجدول 1الخصائص التكوينية مصممة من إيسوثيرمس التجريبية.

خصائص هيكل شبكة المسام استناداً إلى التحليلات المادية الامتزاز/الامتزاز الأساسية لتوصيف مساحيق النانو والمواد النانوية. طرق الامتزاز/الامتزاز النيتروجين يمكن اعتبار المرحلة الأولى في تحديد خصائص المواد الصلبة microporous وميسوبوروس. الأسلوب هو، بشكل عام، تنطبق على عينات من جميع أصناف الهيئات المسامية أو المواد ويسمح تقديراً لهياكل المسامية على أساس الأشكال إيسوثيرمس والتباطؤ في الحلقات مباشرة من قياس التجريبية. النيتروجين بالامتزاز/الامتزاز بجانب أساليب أخرى لتحديد بنية مسامية (تسرب السائل35 والضوء والأشعة السينية والنيوترونات تناثر36،37 والفحص المجهري32) هو الأكثر أهمية و تقنية مفيدة نظراً لانطباق واسع وقابلية المتبادل للنتائج.

النيتروجين جزيء غاز أدسوربتيفي قياسية لتوصيف المسام بطريقة الامتزاز الغاز. من الممكن استخدام أنواع أخرى من الجزيئات (ثاني أكسيد الكربون، الكريبتون، الأرجون) للحصول على معلومات جديدة عن العينة وتوصيف المواد microporous.

وترد ميكروجرافس تيم عينات جران وسباعي-15 التحقيق في الشكل 2. وأكدوا نظام مرتبة عالية من ميسوبوريس، تتألف من قنوات مسامية موازية ومشابهة جداً وبنية على شكل قضيب الكربون مع نانومتر الحجم ~ 11 المسامية (الشكل 2 أ-ج). تيم ميكروجرافس من أمك أكدت تماثل سداسية المسام نتيجة للنسخة المتماثلة معكوس من السلائف السليكا نانوبوروس الأولية وقطرها مسام بين القضبان 4.0 شمال البحر الأبيض المتوسط. العينة سباعي-15 يوضح هيكل سداسية أمر ثنائي الأبعاد ميسوبوريس؛ ويلاحظ هيكل الترتيبات الاحتياطية-15 أمر جيد في كل التوقعات، جنبا إلى جنب مع القنوات نانوبوروس وخط عمودي لهم (الشكل 2D، هاء). هذه الملاحظات في اتفاق جيد مع القيم التي تم الحصول عليها من بيانات امتصاص النيتروجين التجريبية (انظر الجدول 1). مجهر إلكتروني غير قادرة على توفير صور بدقة أعلى من الفحص المجهري الخفيفة بسبب الطول الموجي دي بروجلى أصغر من الإلكترونات. وهذا تمكننا من التقاط تفاصيل مرات أصغر من كائن قابل للحل في الفحص المجهري خفيفة الآلاف. في هذا الأسلوب، تأتي الصورة من تفاعل الإلكترونات مع العينة عندما ينتقل الشعاع طوال العينة. ولذلك، أحد أوجه قصور الأسلوب أن تكون العينة لهيدا سامسونج لأقل من 100 نانومتر سميكة أو تعليق تطبيقه على شبكة. ويمكن تحسين تيم في بالمسح ضوئي مجهر إلكتروني انتقال (الجذعية). وينبغي أن يكون من الممكن بإضافة نظام جنبا إلى جنب مع مناسبة للكشف عن والتي سوف النقطية الشعاع عبر العينة لتشكيل الصورة.

تم العثور على درجة حموضة تهمة جران (أي، قيمة الرقم الهيدروجيني أدناه التي يتوجب إيجابيا المساحة الإجمالية لجزيئات الكربون) نقطة من الصفر ليكون أعلى درجة الحموضة = 10 (الشكل 3). للمقارنة، درجة حموضة تهمة المادية سباعي-15 نقطة من الصفر يساوي حوالي 4.5. تظهر نتائج المعايرة فرق الجهد المواد 15-سباعي تحولاً من الأس الهيدروجينيبزك تجاه قيم الأس الهيدروجيني أقل، التي تثبت وجود بعض المراكز الحمضية على سطح سباعي-15. مواقع مشحونة سلبا على زيادة التفاعلات فإن دير فالس بين الجزيئات الممتزة/أدسورباتي في المصفوفة سباعي-15، تحسين خصائص المصفوفة السليكا أدسوربتيفي.

وتشمل الخطوات الحاسمة خلال قياس فرق الجهد معايرة دقيقة جداً إضافة تيترنت إلى تعليق، واستمرارية التحريك. وكان إجراء المعايرة فرق الجهد على مؤتمتة بالكامل ضمان تحقيق النتائج الأكثر موثوقية. خطوة أخرى هامة وفريدة من نوعها تم تطبيق برمجيات خاصة لمراقبة الظروف التجريبية والعمليات الحسابية. الحد من هذا الأسلوب هو الخطوة المعايرة مسرى الأس الهيدروجيني والحاجة لضمان وجود مناخ مستقر (على سبيل المثال، النيتروجين) ودرجة الحرارة. ويمكن تصنيف فرق الجهد المعايرة كإجراء معايرة حمض/قاعدة. هذا الأسلوب يتطلب إجراء قياسات لتغير الجهد على خطوات إضافة تيترنت. ويوفر أسلوب التكيف وأسعار معقولة ودقيقة للغاية لتحقيق درجة نقاء عالية، هو أمر أساسي في العديد من المجالات، ولا سيما في الصناعات الدوائية ودراسات المواد الفنية. وفي الواقع، هناك عدد من أنواع معايرات فرق الجهد. وهناك، على سبيل المثال، تقنيات حمض-قاعدة، والأكسدة، وهطول الأمطار، وكومبليكسوميتريك. كما يمكن أن تتحقق المعايرة فرق الجهد تلقائياً، فإنه يضمن قدرة أكبر لتوصيف العينة.

بزك يتحدد كنقطة تقاطع منحنى المعايرة اﻻلكتروﻻيت ومنحني المعايرة المسجلة لمادة الكربون، فضلا عن تقاطع منحنى الكثافة تهمة السطحية مع المحور. النتيجة تشير إلى أن التحقيق فيها، وأمرت نانوبوروس والمواد الكربونية قد الخصائص الأساسية المتصلة بوجود مجموعات وظيفية الأكسجين (-المجموعات الطرفية يا بيرونيك ketonic، نظم خاتم وتشرومينيك و π-إلكترون)38،39 ،،من4041. الخصائص الأساسية لسطح الكربون يمكن أن تكون نتيجة المعالجة الحرارية التي تسبب التدمير التدريجي وإزالة الأوكسجين الحمضية المجموعات الوظيفية (على سبيل المثال, كاربوكسيلس اكتونات، والفينولات)، وهكذا، تثري سطح الكربون في basic 42من المجموعات الوظيفية. أن وجود هذه المواقع الأساسية هو نتيجة لانخفاض عدد المواقع الحمضية المتزامنة وخفض محتوى الأكسجين المرتبطة مباشرة بالحموضة. تم التحقق من محتوى الأكسجين بال-محررون.

يتم عرض الصور الأطياف EDS تيم السطح المتفاوضين من مجالين مختلفين من العينة في الشكل 4 أ، ب. تم الكشف عن ذرات الأكسجين والسليكون من السطح المتفاوضين على الرغم من كمية الكربون الغالبة. الذري والوزن النسبة المئوية للعناصر، قدمت ك insets والتي تم الحصول عليها من مناطق مختلفة من العينات، متشابهة، وتشير إلى حوالي 98% ويتألف من الكربون وسوى أكثر قليلاً من 1% التكوين يعزى إلى الأوكسجين. EDS microanalysis قد تشير إلى أن الطابع الأساسي للسطح جران يرتبط مع العدد القليل جداً من المجموعات الوظيفية التي تحتوي على الأكسجين، الذي عادة ما يحتوي على وظيفة الحمضية. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون المجموعات الوظيفية الأساسية المسؤولة عن زراعة هيدروفيليسيتي مواد الكربون. ويؤكد طيف EDS مصفوفة السليكا المساهمة الرئيسية لوفرة الأوكسجين والسيليكون في الترتيبات الاحتياطية-15 (الشكل 4). EDX هو أحد الأساليب التي تحدد تكوين الذرية للعينة. أنها لا تعطي المعلومات عن المواد الكيميائية (مثل، حالة الأكسدة، روابط كيميائية)، مثل أسلوب XPS. للتحليل الكمي، EDX ليست مناسبة للعناصر الخفيفة (e.g.,like الأكسجين) نظراً لأنه يمكن فقط للكشف عن وجود الأكسجين ولكن لا كوانتيتاتي أنه. هذا الأسلوب يعمل فقط على سطح طبقات رقيقة (قليلة ميكرون أو أقل) وهي حساسة جداً للتلوث في العينة.

وترد ركائز الكربون؛ وفي الشكل 5 أ وب زاوية نتائج الاتصال قياسات للسوائل عدة على السليكا يمكننا أن نرى أن النظم التي تكشف عن مجموعة واسعة من ويتابيليتيس. اثنين من ركائز المطبقة على نحو سلس ومستو، إلا وهي السليكا والكربون السطوح، بينما الأخرى تظهر خشونة وتحتوي على ميسوبوريس. يتم عرض قياس الزوايا الاتصال مقابلالمعلمة ترطيب مجهرية، αw. هذه المعلمة هو النسبة بين جزيئية الجدار السائل-المسامية للتفاعلات بين الجزيئات السائلة اثنين22،،من2324. ولذلك، ومن التدابير خصائص ترطيب نانو--وماكروسكاليس. يتم عرض المعلمة αw أن تكون دالة رتيبة من زاوية الاتصال. وفقا للقياسات، قيم الزوايا الاتصال للأسطح مع روغنيساري أعلى من تلك للأسطح المستوية سلس، بغض النظر عن نوع السوائل المدروسة، بما في ذلك سوائل ترطيب أندويل نونويتينج.

وتوحي هذه النتائج إليه باكستر كسي ويتابيليتي على أسطح نانوروغ من الجدران المسامية. وعلاوة على ذلك، قياس الزوايا الاتصال للسوائل عدة داخل والسليكا والكربون نانوبوريس تشير إلى ويتابيليتي أفضل من الجدران السليكا من الجدران الكربون، وتأثير خشونة مسام على التفاعلات السائل/الجدار هو أكثر وضوحاً بالنسبة السليكا من أجل نانوبوريس الكربون. يتم استخدام الأسلوب ارتفاع الشعرية لتحديد زوايا الاتصال وويتابيليتي من الجزيئات الصغيرة في المساحيق. لركيزة صلبة المسطحة، يمكن تطبيق العديد من التقنيات، مثل أسلوب إسقاط لاطئة وأسلوب لوحة ويلهيلمي، الاتصال بالقياسات الزاوية. استخدام أسلوب ارتفاع الشعرية يفترض تلبية الشروط الأربعة أثناء العملية (أيمعادلة اشبورن ليستمد استناداً إلى هذه الافتراضات الأربعة): تدفق الصفحي مستمر (1)، (2) عدم وجود ضغط خارجي، (3) لا يعتد بها قوة الجاذبية، و (4) عدم تحريك السائل في الواجهة الصلبة والسائلة. الضغط الهيدروليكي أصغر بكثير من الضغط الشعرية؛ ولذلك، يؤدي الضغط الشعرية السائل ترتفع إلى الأعلى على طول الأنبوب. الدراسات ويتابيليتي من الجزيئات الصغيرة دائماً أن تراعي بدقة وإمكانية تكرار نتائج نتائج.

أوميسوري تيدقة زاوية الاتصال من جزيئات صغيرة، وزيادة الضغوط والآثار الهيدروستاتيكي ينبغي أن يراعي في المعادلة في اشبورن أدق وصف العلاقة بين زيادة الضغط والوقت.

في الشكل 6 أ، ب، نقدم جزء بسيط و (وصف الجزء من السطح المسامية التي على اتصال مباشر مع واجهة السائل)، ويعرف و = (1 + cosθف)/(1 + cosθ). ويأخذ القيم من نطاق 0.73 (ح2س) إلى 0.92 (أومكتس) لمصفوفة والسليكا ومن المجموعة من 0.82 (ح2س) إلى 0.93 (أومكتس) للكربون ماتريكس. وعلاوة على ذلك، يزيد الكسر و إخفاق مع المعلمة αw المتزايدة، مما يؤكد النموذج كاسي-باكستر التبول على ركائز الخام.

هذه النتائج، التي نوقشت في إطار نموذج كاسي-باكستر، تظهر أن تأثير ميكروروغنيس نانوسورفاسيس، يؤثر إلى حد كبير التغيرات في التفاعلات السائل-الجدار.

واستخدمت للتحقيق في تأثير الطابع للأسطح المسامية في آثار الولادة د2س في الترتيبات الاحتياطية-15 ومصفوفات أمك مع حجم مسام قابلة لمقارنة من 5 نانومتر، الأسلوب عازل. وتشير نتائج القدرة الكهربائية من المياه التي توضع في جران وسباعي-15 عند التسخين، كما عرضت في الشكل 7A و 7B الشكل، على التوالي، إلى أن الاعتماد على درجة الحرارة من السعة C يظهر زيادة حادة في تي = 260 ك، المقابلة لذوبان الممتزة د2س داخل مسام سباعي-15، وعلى T = K 246.1، الذي يشير إلى ذوبان المياه تمتز داخل مسام أمك. لكلا النظامين، ونلاحظ زيادة في ج(T) الدالة في T = 276.5 ك، الذي يشار إليه بنقطة انصهار المياه السائبة الديوتيريوم. الإشارات الملحوظة التي تتصل بالجزء الأكبر والسائل المحصورة لأنه يتم دراسة العينات كتعليق في مصفوفات مسامية شغلها مع يجري السائل في الزائدة. بالنسبة للجزء الأكبر، درجة حرارة ذوبان د2س في المسام سباعي-15 هو الاكتئاب قبل ΔT = Tm، المسام− تيم، معظم K = 16.5، بينما بالنسبة للمتفاوضين، ΔT =-30.4 ك.

تأتي هذه النتائج من الهياكل المختلفة للجدار المسامية. درجة حرارة ذوبان في المسام Tm، المسام فيعتمد على اثنين من المتغيرات، هما حجم مسام ح والمعلمة ويتابيليتي αw. لقيم αw أصغر (αw < 1)، الاكتئاب Tm، المسامية ومن المتوقع. إذا كان العرض مسام ح هو نفسه، ثم التغير في قيمة αw النظام يؤثر على التغيير في تيم، المسامية. وتظهر نتائج ويتابيليتي في المسام أن قيمة αw في كلا النظامين درس النقصان بسبب آثار خشونة قياسا سطح أملس. عمل ويتابيليتي مغمورة في المسام ثه = γلcosθف أقل بكثير عن د2س في جران (We = 4,2432 [mN/m]) مما في الترتيبات الاحتياطية-15 (ثه = 20,968 [mN/m])، الأمر الذي يؤدي إلى كساد ارتفاع نقطة انصهاره في هذا النظام، بالنسبة إلى لمد2س في نظام الترتيبات الاحتياطية-15.

النتائج التي تم الحصول عليها تشير إلى حدوث تحسن في آثار الانضمام على الجدار والسليكا المسامية، مقارنة بتلك التي على الجدار الكربون. يحتوي هذا الأسلوب بعض القيود عند تطبيقه على العينات التي شملتها الدراسة. واحد منهم يأتي من حقيقة أن سجل الدالة C(T) يحتوي على الإشارة من السوائل السائبة والسائل محصورة في المسام. ولذلك، الإشارة من السائل nonpolar المحصورة ضعيف، وأنه من الصعب تحديد درجة حرارة ذوبان. في المستقبل، من الجدير أن الجمع بين بعض أساليب إضافية جنبا إلى جنب معها. (مثلاً، فرق المسح القياس على معدل تسخين بطيئة أو سينتريفوجينج العينة للحصول على عينة مركزة دون أي سائل). وعلاوة على ذلك، للعينات موصلة، هناك حاجة لاستخدام لوحة تترافلوروايثيلين. ميزة طريقة التحليل الطيفي عازل هو حقيقة أن الأسلوب يستخدم كثيرا، في العديد من مجالات البحث، مثل الزجاج التحولات والالتماسات جزيئية مقياس الوقت، حيث يكون طول الوقت في عشرات فيمتوسيكوندس إلى نانو ثانية. ولذلك، من المهم توفير ترددات تتراوح بين ميغا هرتز تيراهيرتز. في حالات مثل التحلل من الأطياف التي تم الحصول عليها أو تفسير وتحليل كمي للنتائج، يشبه الأسلوب سبيكتروسكوبيس أكثر شيوعاً. ومع ذلك، يحقق الأسلوب عازل تقلبات الجماعية للجزيئات مع لحظة ثنائي قطب دائمة (السوائل القطبية). على سبيل المثال، يوفر مطيافية الأشعة تحت الحمراء على معلومات تكميلية إضافية، على الرغم من الحساسية في اتجاه وسائط الجماعية قد تعوق تفسير الأطياف عازل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

الكتاب أود أن أشكر "المركز الوطني للعلوم" لتقديم الدعم المالي مع منحة لا. ديسمبر--2013/09/ب/ST4/03711 ويشغل-2016/22/ST4/00092. الكتاب ممتنون أيضا لدعم جزئي من "البرنامج التشغيلي لبولندا رأس المال البشري بو كوالا لمبور" 4.1.1، كذلك اعتبارا من "المركز الوطني" للبحوث والتنمية، قيد البحث منح لا. PBS1/A9/13/2012. الكتاب ممتنون بصفة خاصة للأستاذ ل. Hołysz من شعبة الظواهر توتره، ماريا كوري-Skłodowska جامعة لوبلين، بولندا، كلية الكيمياء، لها اللطف وتمكين قياسات ويتابيليتي في نانوبوريس سباعي-15.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tao, Y., Kanoh, H., Abrams, L., Kaneko, K. Mesopore-Modified Zeolites: Preparation, Characterization, and Applications. Chemical Reviews. , 896-910 (2006).
  2. Wan, Y., Zhao, D. On the Controllable Soft-Templating Approach to Mesoporous Silicates. Chemical Reviews. 107, 2821-2860 (2007).
  3. Khder, A. E. S., Hassan, H. M. A., El-Shall, M. S. Acid catalyzed organic transformations by heteropolytungstophosphoric acid supported on MCM-41. Applied Catalysis A. 411, 77-86 (2012).
  4. Zhao, D. D., et al. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores. Science. 279, 548-552 (1998).
  5. Linssen, T., Cassiers, K., Cool, P., Vansant, E. Mesoporous templated silicates: an overview of their synthesis, catalytic activation and evaluation of the stability. Advances in Colloid and Interface Science. 103, 121-147 (2003).
  6. Eftekhari, A., Fan, Z. Ordered mesoporous carbon and its applications for electrochemical energy storage and conversion. Materials Chemistry Frontiers. 1, 1001-1027 (2017).
  7. Sing, K. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids and Surfaces A. 241, 3-7 (2004).
  8. Huo, Q., Margolese, D. I. Generalized synthesis of periodic surfactant/inorganic composite materials. Nature. 368, 317-321 (1994).
  9. Selvaraj, M., Kawi, S., Park, D. W., Ha, C. S. Synthesis and characterization of GaSBA-15: Effect of synthesis parameters and hydrothermal stability. Microporous and Mesoporous Materials. , 586-595 (2009).
  10. Leonard, A., et al. Toward a better control of internal structure and external morphology of mesoporous silicas synthesized using a nonionic surfactant. Langmuir. 19, 5484-5490 (2003).
  11. Liang, C., Li, Z., Dai, S. Mesoporous Carbon Materials: Synthesis and Modification. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3696-3717 (2008).
  12. Babić, B., et al. New mesoporous carbon materials synthesized by a templating procedure. Ceramics International. 39 (4), 4035-4043 (2013).
  13. Allen, S. J., Whitten, L., Mckay, G. The Production and Characterization of Activated Carbons: A Review. Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing. 6, 231-261 (1998).
  14. Kwak, G., et al. Preparation Method of Co3O4 Nanoparticles Using Ordered Mesoporous Carbons as a Template and Their Application for Fischer-Tropsch Synthesis. The Journal of Physical Chemistry C. 117 (4), 1773-1779 (2013).
  15. Koo, H. M., et al. Effect of the ordered meso-macroporous structure of Co/SiO2 on the enhanced activity of hydrogenation of CO to hydrocarbons. Catalysis Science and Technology. 6, 4221-4231 (2016).
  16. Jun, S., Joo, S. H., Ryoo, R., Kruk, M., Jaroniec, M. Synthesis of New, Nanoporous Carbon with Hexagonally Ordered Mesostructure. Journal of the American Chemical Society. 122 (43), 10712-10713 (2000).
  17. Washburn, E. W. The dynamics of capillary flow. Physical Review Series2. 17, 273 (1921).
  18. Śliwińska-Bartkowiak, M., Sterczyńska, A., Long, Y., Gubbins, K. E. Influence of Microroughness on the Wetting Properties of Nano-Porous Silica Matrices. Molecular Physics. 112, 2365-2371 (2014).
  19. Śliwińska-Bartkowiak, M., et al. Melting/freezing behavior of a fluid confined in porous glasses and MCM-41: dielectric spectroscopy and molecular simulation. Journal of Chemical Physics. 114, 950-962 (2001).
  20. Coasne, B., Czwartos, J., Śliwińska-Bartkowiak, M., Gubbins, K. E. Freezing of mixtures confined in silica nanopores: experiment and molecular simulation. Journal of Chemical Physics. 133, 084701-084709 (2010).
  21. Chełkowski, A. Dielectric Physics. , PWN-Elsevier. Warsaw, Poland. (1990).
  22. Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Global phase diagrams for freezing in porous media. Journal of Chemical Physics. 116, 1147-1155 (2002).
  23. Gubbins, K. E., Long, Y., Śliwińska-Bartkowiak, M. Thermodynamics of confined nano-phases. Journal of Chemical Thermodynamics. 74, 169-183 (2014).
  24. Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Effect of the fluid-wall interaction on freezing of confined fluids: Toward the development of a global phase diagram. Journal of Chemical Physics. 112, 11048 (2000).
  25. Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Transactions of the Faraday Society. 40, 546 (1944).
  26. Sing, K. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76, 3-11 (1998).
  27. Sing, K. The use of nitrogen adsorption for the characterisation of porous materials. Colloids and Surfaces A. 187, 3-9 (2001).
  28. Yu, C., Fan, J., Tian, B., Zhao, D. Morphology Development of Mesoporous Materials: a Colloidal Phase Separation Mechanism. Chemistry of Materials. 16 (5), 889-898 (2004).
  29. Liu, D., et al. Enhancement of Electrochemical Hydrogen Insertion in N-Doped Highly Ordered Mesoporous Carbon. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (5), 2370-2374 (2014).
  30. Choi, W. C., et al. Platinum Nanoclusters Studded in the Microporous Nanowalls of Ordered Mesoporous Carbon. Advanced Materials. 17, 446-451 (2005).
  31. Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Application. , Academic Press. London, UK. (1999).
  32. Gregg, S. J., Sing, K. S. W. Adsorption, Surface Area and Porosity. , Academic Press. London, UK. (1982).
  33. Llewellyn, P. L., Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. S. W. Critical appraisal of the use of nitrogen adsorption for the characterization of porous carbons. Characterization of Porous Solids V. Unger, K. K., Kreysa, G., Baselt, J. P. , Elsevier. Amsterdam, The Netherlands. Studies in Surface Science and Catalysis Vol. 128 421-427 (2000).
  34. Sing, K. S. W. The use of gas adsorption for the characterization of porous solids. Colloids and Surfaces. 38, 113-124 (1989).
  35. Rouquerol, J. Recommendations for the characterization of porous solids. Pure & Applied Chemistry. 66, 1739-1758 (1994).
  36. Marega, C. A direct SAXS approach for the determination of specific surface area of clay in polymer-layered silicate nanocomposites. The Journal of Physical Chemistry B. 116, 7596-7602 (2012).
  37. Tsao, C. S., et al. Neutron Scattering Methodology for Absolute Measurement of Room-Temperature Hydrogen Storage Capacity and Evidence for Spillover Effect in a Pt-Doped Activated Carbon. The Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 1569-1573 (2010).
  38. Mattson, J. S., Mark, H. B. Activated Carbon: Surface Chemistry and Adsorption from Solution. , Dekker. New York, NY. (1971).
  39. László, K., Szucs, A. Surface characterization of polyethyleneterephthalate (PET) based activated carbon and the effect of pH on its adsorption capacity from aqueous phenol and 2,3,4-trichlorophenol solutions. Carbon. 39, 1945-1953 (2001).
  40. Garten, V. A., Weiss, D. E., Willis, J. B. A new interpretation of the acidic and basic structures in carbons. Australian Journal of Chemistry. 10, 309-328 (1957).
  41. Boehm, H. P. Surface oxides on carbon and their analysis: A critical assessment. Carbon. 40, 145-149 (2002).
  42. Menendez, J. A., Phillips, J., Xia, B., Radovic, L. R. On the modification and characterization of chemical surface properties of activated carbon: In the search of carbons with stable basic properties. Langmuir. 12, 4404-4410 (1996).

Tags

الكيمياء، 145 قضية، الكربونات نانوبوروس، نموذج كاسي-باكستر، ويتابيليتي، معدلة اشبورن المعادلة، المعلمة ترطيب مجهرية، النيتروجين بالامتزاز/الامتزاز إيسوثيرمس، معايرة فرق الجهد، والحموضة
خصائص سطح المركبة نانوبوروس الكربون ومصفوفات السليكا
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sterczyńska, A.,… More

Sterczyńska, A., Śliwińska-Bartkowiak, M., Zienkiewicz-Strzałka, M., Deryło-Marczewska, A. Surface Properties of Synthesized Nanoporous Carbon and Silica Matrices. J. Vis. Exp. (145), e58395, doi:10.3791/58395 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter