Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Overflade egenskaber af syntetiserede Nanoporous kulstof og Silica matricer

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

Her rapporterer vi syntese og karakterisering af bestilte nanoporous kulstof (med en 4,6 nm porestørrelse) og SBA-15 (med en 5,3 nm porestørrelse). Arbejde beskriver overfladen og stoflige egenskaber af nanoporous molekylære sigter, deres befugtningen og smeltende funktionsmåden for D2O begrænset i materialer.

Abstract

I dette arbejde, vi rapportere syntese og karakterisering af bestilte nanoporous carbon materiale (også kaldet bestilte mesoporøse carbon materiale [OMC]) med 4,6 nm porestørrelse, og bestilte silica porøse matrix, SBA-15, med en 5,3 nm porestørrelse. Dette arbejde beskriver nanoporous Molekylær sigter, deres befugtningen overflade egenskaber og D2O smeltende adfærd er begrænset i de anderledes bestilte porøse materialer med lignende pore størrelser. Til dette formål syntetiseret åbne koordinationsmetode og SBA-15 med stærkt bestilte nanoporous strukturer er via imprægnering af silica matrix ved at anvende en carbon forløber og ved sol-gel, henholdsvis. Den porøse struktur af undersøgte systemer er kendetegnet ved en N2 adsorption-desorption analyse på 77 K. Bestem den elektrokemiske karakter af overfladen af syntetiserede materialer ved er potentiometrisk titrering målinger udført; de opnåede resultater for OMC viser en betydelig pHpzc Skift mod de højere værdier for pH, i forhold til SBA-15. Dette tyder på, at undersøgte OMC har overflade egenskaber relateret til ilt-baserede funktionelle grupper. For at beskrive de overflade egenskaber af materialerne, bestemmes væsker gennemtrængende de studerede porøse senge kontakt vinkler også. Metoden kapillær stigning har bekræftet den øgede befugtningen af silica væggene i forhold til kulstof vægge og indflydelse af pore ruhed på væske/væg interaktioner, som er langt mere udtalt for silica end for kulstof mesopores. Vi har også studeret D2O begrænset i OMC og SBA-15 ved at anvende metoden dielektrisk smeltende adfærd. Resultatet viser, at depression af smeltepunktet af D2O i porerne i OMC omkring 15 K højere i forhold til depression af smeltepunktet i SBA-15 porer med en sammenlignelig 5 nm størrelse. Dette er forårsaget af påvirkning af adsorbate/adsorbent interaktioner af de undersøgte matricer.

Introduction

I 1992, blev bestilte nanoporous silica materialer fremstillet for første gang, ved hjælp af en økologisk skabelon; siden da, et stort antal publikationer relateret til forskellige aspekter af disse strukturer, syntetiske metoder, undersøgelse af deres ejendomme, deres ændringer, og forskellige programmer er dukket op i litteratur1,2 ,3. Interesse i SBA-15 nanoporous silica matrix4 er på grund af deres enestående kvalitet: en høj areal, bred porer med en ensartet pore størrelse distribution og gode kemiske og mekaniske egenskaber. Nanoporous silica materialer med cylindrisk porer, som SBA-155, bruges ofte som en porøs matrix for katalysatorer, som de er effektiv katalysator i organiske reaktioner6,7. Materialet kan syntetiseres med en bred vifte af metoder, der kan påvirke deres egenskaber8,9,10. Derfor er det afgørende at optimere disse metoder for potentielle anvendelsesmuligheder inden for mange områder: elektrokemiske enheder, nanoteknologi, biologi og medicin, narkotika leveringssystemer, eller vedhæftning og tribologi. I nuværende undersøgelse, to forskellige typer af nanoporous strukturer er præsenteret, nemlig silica og carbon porøse matricer. For at sammenligne deres egenskaber, SBA-15 matrix syntetiseres ved hjælp af metoden sol-gel, og bestilte nanoporous carbon materiale er udarbejdet af imprægnering af matrixen resulterende silica med en carbon forløber.

Porøse kulstof materialer er vigtige i mange apparater på grund af deres høje overfladeareal og deres unikke og veldefineret fysisk-kemiske egenskaber6,11,12. Typiske forberedelse resulterer i materialer med tilfældigt fordelte porøsitet og en uorganiseret struktur; der er også en begrænset mulighed for ændring af de generelle pore parametre, og således strukturer med relativt brede pore størrelse distributioner er opnået13. Denne mulighed er udvidet til nanoporous kulstof materialer med høj overflade områder og beordrede systemer af nanoporer. Mere forudsagt geometri og mere kontrol af de fysisk-kemiske processer inde i pore plads er vigtig i mange applikationer: som katalysatorer, adskillelse media systemer, avancerede elektroniske materialer, og nanoreactors i mange videnskabelige områder14 , 15.

For at opnå de porøse carbon replikaer, kan de bestilte silikater fungere som en solid matrix som carbon prækursorer introduceres direkte. Metoden kan være opdelt i flere etaper: udvælgelse af bestilte silica materiale; aflejring af en carbon forløber i en silica matrix; forkoksning; derefter, fjernelse af silica matrix. Mange forskellige typer af kulstofholdigt materialer kan rekvireres ved denne metode, men ikke alle nonporous materialer har en ordnet struktur. Et vigtigt element i processen er udvælgelsen af en passende matrix, hvis nanoporer skal danne en stabil, tre-dimensionelle struktur16.

I dette arbejde, er type af pore vægge indflydelse på syntetiserede nanoporous matricer overflade egenskaber undersøgt. OMC materialets overflade egenskaber afspejles af de overflade egenskaber af silica analog (SBA-15) af ÅKM. De stoflige og strukturelle egenskaber af begge typer af materialer (OMC og SBA-15) er kendetegnet ved lav temperatur N2 adsorption/desorption målinger (på 77 K), transmissions elektronmikroskopi (TEM) og energy dispersive X-ray analyser ( EDX).

Lav-temperatur gas adsorption/desorption måling er en af de vigtigste teknikker under karakterisering af porøse materialer. Nitrogen gas bruges som en adsorbate på grund af sin høje renhed og muligheden for at skabe en stærk interaktion med solid adsorbenter. Vigtige fordele af denne teknik er brugervenlige kommercielle udstyr og relativt let edb-procedurer. Bestemmelse af kvælstof adsorption/desorptionsisotermer er baseret på akkumulering af adsorbate molekyler på overfladen af solid adsorbent på 77 K i en bred vifte af pres (P/P0). Proceduren for beregning af pore størrelse distribution fra eksperimentelle adsorption eller desorption isotermerne Barrett, Joyner og Halenda (BJH) anvendes. De vigtigste antagelser af metoden BJH omfatter en plane overflade og en jævn fordeling af adsorbate på den undersøgte overflade. Men denne teori er baseret på Kelvin ligningen og det er stadig den mest udbredte måde til beregning af pore størrelse distribution i rækken mesoporøse.

For at evaluere den elektrokemiske karakter af prøverne, anvendes der en potentiometrisk titrering metode. Overfladekemi af materiale afhænger af overflade anklagen relateret til tilstedeværelse af heteroatomer og funktionelle grupper på overfladen. De overflade egenskaber er også undersøgt af kontakt vinkelanalyse. Befugtningen inde i porerne giver oplysninger om adsorbate-adsorbent interaktioner. Påvirkning af væg ruhed smeltepunktet af vand er begrænset i begge prøver er undersøgt med dielektrisk afslapning spektroskopi (DRS) teknik. Målinger af dielektrisk konstant tillade undersøgelse af smeltende fænomener som polarizability af flydende og faste faser er forskellige fra hinanden. En ændring i hældningen af temperatur afhængighed af kapacitansen viser, at smeltningen sker i systemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forberedelse af de åbne koordinationsmetode materialer

  1. Syntese af silica matrix som OMC forløber
    1. Forbered 360 mL af 1,6 M HCl ved at tilføje 50 mL HCL (36-38%) i en kolbe på 500 mL runde-bunden og, derefter, tilføje 310 mL i ultrarent vand (resistivitet af 18.2 MΩ·cm).
    2. Til at tilføje 10 g af PE 10500 polymer (6.500 g/mol).
    3. Kolben anbringes i ultralydbad. Varm løsning til 35 ° C og rør det indtil solid polymeren er helt opløst, hvilket gør en homogen blanding.
    4. Kolben tilsættes 10 g af 1,3,5-trimethylbenzen og rør indhold (med en omrøring hastighed på 220 rpm) ved at opretholde det ved 35 ° C i vandbad.
    5. Efter omrøring i 30 min, tilsættes 34 g tetraethyl MOSFET (TEOS) til kolben. Tilføj TEOS langsomt og dråbevis under konstant omrøring. Sikre, at det tager 10 min at tilføje 34 g i TEOS.
    6. Rør løsning blandingen igen for 20 h ved samme temperatur (35 ° C).
    7. Overføre indholdet af kolben i et polytetrafluorethylen patron og placere det i en autoklave. Forlade løsningen i 24 timer ved 90 ° C.
    8. Filtrere den resulterende bundfald, ved hjælp af en Büchner tragt, og vask det med destilleret vand, ved hjælp af mindst 1 L.
    9. Tør den opnåede faste ved stuetemperatur og anvende en kurbehandling på prøve på 500 ° C, ved hjælp af en muffelovn i en luft atmosfære til 6 h.
  2. Imprægnering af den resulterende silica matrix, ved hjælp af en carbon forløber
    1. Forberede imprægnering løsninger (IS1 og IS2) med passende proportioner af vand, 3 M svovlsyre (VI), og sukker (glukose), hvor glukose spiller rollen som carbon forløber og svovlsyre fungerer som katalysator.
      Forsigtig: Svovlsyre er meget giftige, det forårsager alvorlige hudforbrændinger og øjenskader.
      1. Forberede IS1. For hvert gram af silica, mix 5 g vand, 0,14 g af 3 M svovlsyre (VI) og 1,25 g sukker.
      2. Forberede IS2. For hvert gram af silica, mix 5 g vand, 0,08 g 3 M svovlsyre (VI) og 0,75 g sukker.
    2. Placer silica materiale (1 g) og den fremstillet opløsning IS1 carbon forløber og katalysator i en 500 mL målekolbe. Opvarm blandingen i et vakuum tørretumbler ved 100 ° C til 6 h.
      Bemærk: I dette trin skal bruge kun IS1. IS2 bør anvendes i næste trin.
    3. Tilføje IS2 til blandingen i vakuum tørretumbler (til løsning med delvis forkullede carbon forløber). Opvarm blandingen igen i vakuum tørretumbleren ved 160 ° C i 12 timer.
  3. Temperering/forkoksning
    1. Overføre den opnåede sammensat til en mørtel til fragmenteringen af de større partikler og en homogenisering af materialet.
    2. Placer det fremstillede produkt i flow ovnen og varme det til 700 ° C (ved en varme på 2,5 ° C/min.) og varme i 6 timer ved denne temperatur. Varme materiale i en atmosfære af nitrogen.
    3. Tillade løsning at køle før du åbner ovnen.
  4. Fjernelse af silica matrix af ætsning
    1. Forberede 100 mL ætsning løsning (ES). Bland 50 mL 95% ethanol og 50 mL vand. Tilføj 7 g kaliumhydroxid og rør indtil den er opløst.
    2. Sted alle opnået forkullede materiale (mindst 1 g) i en 250 mL runde-bunden kolbe og tilsættes 100 mL ES.
    3. Levere system med en tilbageløbskøler og Magnetpinden og varme i kog mens under konstant omrøring. Kog blandingen i 1 time.
    4. Overføre det fremkomne materiale til Büchner tragten, vaske det med mindst 4 L destilleret vand, og tør den.

2. forberedelse af Silica SBA-15 Matrix

  1. Syntetisere en silica matrix.
    1. Forberede 150 mL af 1,6 M HCl.
    2. 4 g PE 6400 polymer (EO13PO70EO13) i 150 mL syre opløsning i en runde-bunden målekolbe opløses.
    3. Kolben anbringes i ultralydbad. Varme løsning til 40 ° C og rør det så at polymeren kan opløse (mindst for 30 min).
    4. Langsomt tilføje 8,5 g TEOS kolben, dråbevis, under konstant omrøring. Rør løsning blandingen i 24 timer ved samme temperatur (40 ° C).
    5. Overføre indholdet af kolben til en polytetrafluorethylen patron. Forlade løsningen for 24 h i en 120 ºC ovn.
    6. Filtrere den resulterende bundfald, ved hjælp af en Büchner tragt, og vask det med destilleret vand (mindst 1 L).
    7. Tør den opnåede faste ved stuetemperatur og kalcineret i 6 timer ved 600 ° C, ved hjælp af en muffelovn i en luft atmosfære.

3. metoder til karakterisering

  1. Lav-temperatur kvælstof adsorption/desorption målinger
    1. Bruge en automatisk sorption analyzer for at opnå N2 adsorption/desorptionsisotermer på 77 K.
    2. Brug en passende glasrør for kvælstof sorption målinger. Før du tilføjer den porøse prøve at glasrør, rense røret i en ultrasonic vaskemaskine og skyl det først med destilleret vand og dernæst med vandfri ethanol.
    3. Varme glasrør på 150 ° C til 3 h og fylde røret med komprimeret kvælstof. Veje den tomme glasrør på kvælstof betingelser før måling at minimere vægten fejl.
    4. Prøven anbringes i glasrør og vejer den samlede masse (massen af prøven med glasrør).
    5. Før målingerne, degas prøven. Sted glasrør med prøven i havnens afgasning af sorption analyzer. Følgende proces betingelser: et tryk på mindst 0,01 mmHg, en temperatur på 423 K, og en varighed på 24 h. I havnens afgasning tilsluttes vakuum prøven og varme det til den indstillede temperatur (423 K). Efter afgasning, fylde prøven med kvælstof og overføre det til havnens analyse.
  2. Transmissions elektronmikroskopi
    1. Bruge TEM mikroskop med 120 kV (for SBA-15) og 200 kV (for den åbne koordinationsmetode materiale) accelererende spændinger til at indsamle god kvalitet TEM billeder.
    2. For at forberede en monodisperse film af prøven, sprede prøve (1 mg) i ethanol (1 mL). Udføre proceduren spredning i et microcentrifuge rør ved at placere det i et ultralydsbad i 3 min.
    3. Sted to dråber af spredningen på en TEM kobber nettet ved hjælp af en mikropipette. Overføre gitteret TEM til TEM mikroskop og starte TEM billeddannelse.
  3. Energy dispersive X-ray spektroskopi
    1. Brug en scanning elektron mikroskop udstyret med en X-ray detektor til at erhverve en energy dispersive X-ray spektrum af prøverne.
    2. Anvende en acceleration spænding på 15 kV til høst spektret. Vælg siliciummet som elementet optimering til SBA-15 og carbon for den åbne koordinationsmetode prøve.
  4. Potentiometrisk titrering måling
    1. Bruge en automatisk burette for at udføre potentiometrisk titrering eksperiment. Tilføj titrant i små og kontrollerede dele (efter titrering software og procedure). Give den mindste tilvækst, mindst 1 μL, ved en automatisk dosering intrument.
    2. Sprede 0,1 g af prøven i 30 mL af en elektrolyt opløsning (vand opløsning af 0,1 M NaCl). Bruge magnetomrører og isotermisk betingelser (293 ± 0,1 K) under proceduren dispersion.
    3. Tilføje 1-2 mL af titrant (0,1 M NaOH-opløsning) til suspensionen.
      Bemærk: Udføre tilføjelsen i små prøver (hver for at være ca. 0,05 mL). En automatisk burette proceduren bør give mindst en halv snes eksperimentelle punkter i pH spænder fra 1 til 14.
    4. Beregne overflade tætheden af ladning Qs, ved hjælp af følgende formel.
      Equation 1(1)
      Her
      Δn = ændring i H+/OH- balance reduceret pr. massen af prøven;
      SBET = Brunauer-Emmett-Teller (BET) areal af porøse faststofsamling;
      F = Faraday antallet.
  5. Kapillær stigning metode til befugtningen målinger
    1. For at bestemme den kontakt vinkel inde i porerne i de undersøgte prøver, skal du bruge metoden kapillær stigning.
      Bemærk: Denne metode er baseret på måling af masse fremkomsten af den væske, som gennemtrængende porøse sengen, som funktion af tiden. Den vigtigste forudsætning af denne metode er baseret på det faktum at gennemtrængende væske rykkede ind i kolonnen porøse, og at denne kolonne består af interkrystallinsk kapillærer med en vis gennemsnitlige radius. Således, hvert forbindelse udledt for enkelt kapillær er gyldig for lag af porøse pulver. I en enkelt lodret kapillær flyder befugtning væsken mod de tyngdeaccellerationen kræfter som følge af forskellen pres mellem væske og damp i porer (kapillær pres). I denne forstand tillader indtrængen af væsken i den porøse bed bestemmelse af den dynamiske fremrykkende kontakt vinkel inde i porerne.
    2. Anvende den ændrede Washburn ligning17,18, udtrykt som følger.
      Equation 2(2)
      Her
      m = massen af den målte væske;
      C = parameteren geometriske afhængig af distribution, formen og størrelsen af porerne;
      Rho = massefylde;
      Γl= overfladespænding;
      Η = viskositet af den gennemtrængende væske;
      Θ = kontakt vinkel;
      t = tid.
    3. Ved hjælp af ligningen (2), vurdere værdierne for de fremrykkende kontakte vinkler inde i studerede porerne.
    4. Forberede kraft tensiometer. For pulvere, bruge et glasrør med en diameter på 3 mm og en keramisk sinter; for flydende, skal du bruge et fartøj med en diameter på 22 mm og en maksimal volumen på 10 mL.
    5. Måle 0,017 g af prøven.
    6. Starte computerprogrammet tilsluttet tensiometer. Sætte en beholder med væske på en motordreven scenen og suspendere glasrør med prøven på en elektronisk balance.
    7. Start motoren og begynde at nærme sig væske i beholderen med proeven med en lav konstant hastighed på 10 mm/min. sæt prøveglas nedsænkning dybde i den flydende lig med 1 mm.
    8. Fra dette øjeblik, afhængighed m2 = f(t) registre i edb-programmet.
    9. Stop eksperimentet når afhængighed m2 = f(t) begynder at vise de karakteristiske plateau.
    10. Tjekke om nøjagtighed ved at gentage denne procedure 3 x - 5 x.
  6. Dielektriske afslapning spektroskopi
    1. For at beskrive den smeltende opførsel af begrænset vand inde i de studerede porøse matricer, udføre temperaturmålinger af elektriske kapacitans C af prøven i en parallel plade kondensator lavet af rustfrit stål19, 20 , 21. for at måle kapacitans C som funktion af temperaturen og hyppigheden af de anvendte cyklisk elektrisk felt, bruge en impedans analyzer.
      Bemærk: Den komplekse elektrisk Permittivitet defineres som ε * = ε' + iε'', hvor ε' = C/C0 er reel, og ε'' = tgδ·ε' er en imaginær del af Permittivitet, hvor C0 er kapacitans i tomme kondensator og tgδ er dielektrisk tab.
    2. Sætte den målte prøve i plade kondensator.
    3. Vælg et frekvensområde fra 100 Hz til 1 MHz og en temperatur fra 140 K til 305 K. kontrol sats af temperatur ændre med temperatur-controller. Indstiller hastigheden, temperatur som svarende til 0,8 K/min under afkøling og 0,6 K/min under opvarmningen processen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at karakterisere den porøse struktur af de undersøgte prøver af ÅKM og SBA-15, N2 adsorption-desorption blev isotermerne optaget på 77 K. De eksperimentelle N2 gas adsorption-desorption isotermerne kendetegner de undersøgte systemer, samt pore størrelse distributioner (PSD) fremstillet af adsorption og desorption data, er præsenteret i figur 1A-D. Placeringen af bøjning points på sorption isotermerne (figur 1A, C) angiver det pres, som starter processen med mesopore fylde. Denne information er nødvendig for beregningen af den gennemsnitlige porestørrelse og PSD (figur 1B, D), efter Kelvin ligning.

Figur 2A -Christensen præsenterer TEM billeder af den åbne koordinationsmetode. Figur 2D E præsenterer TEM billeder i eksemplet SBA-15. De opnåede TEM micrographs blev anvendt for evaluering af kvaliteten af de syntetiserede materialer og bekræfter den todimensionale hexagonal struktur. En fortolkning af TEM billeder giver et skøn over pore størrelserne og en sammenligning af værdier med oplysninger indhentet fra sorption målinger (figur 1).

Figur 3 viser den overflade massefylde distribution for kulstof og silica materiale. Egenskaberne for overflader og grænseflader understøtter og solid matricer har en afgørende indvirkning på Karakteristik af undersøgte materialer og fysisk-kemiske processer og fænomener på deres overflade eller i deres nærhed. En eksperimentel undersøgelse af overflade egenskaber, såsom overflade afgift tætheder, synes at være relevant og værdifuldt for at undersøge hvordan overfladeegenskaber (tilstedeværelse og typer af funktionelle grupper) indflydelse den undersøgte kemiske og fysiske fænomener. Især overfladekarakteristika relateret til overfladekemi af kulstof materialer afhænger af den overflade afgift defineret af heteroatomer (f.eks. oxygen eller nitrogen) og påvirke befugtningen, adsorptive egenskaber, elektrokemiske og katalytiske egenskaber, og endelig, syre-base og hydrofile-hydrofobe adfærd. En analyse af positionen punkt i nul afgift på pH-skalaen indeholder oplysninger om systemets syreindhold; jo lavere pHpzc værdien, den mere sure prøven.

Figur 4A B viser typiske TEM-energy dispersive X-ray spektroskopi (EDS) spektre for den åbne koordinationsmetode prøve illustrerer hændelse elektronstrålen interaktion med den prøve, der frembringer røntgenstråling med energi karakteristisk for en atomnummeret for elementer. TEM-EDS er et kraftfuldt værktøj til bestemmelse af den kemiske sammensætning. Figur 4 c viser EDS resultater for SBA-15 materiale. Værdien af energien af karakteristiske strålingen kommer fra prøven giver mulighed for en identifikation af de elementer, der er indeholdt i den undersøgte prøve, mens intensitet (højden af toppene i spektrum) muliggør en kvalitativ analyse af dens indhold ( Figur 4 c).

Figur 5 viser resultaterne af målingerne af kontakt vinkler inde i nanoporer af ÅKM (figur 5A) og SBA-15 (figur 5B), henvises til at wettabilities på glat stærkt orienteret pyrolyse grafit (HOPG) og glas substrater, henholdsvis. Et ideelt glat silica overflade glas og HOPG grafit som en glat grafit overflade blev brugt. De målte kontakt vinkler er vist som en funktion af parameteren mikroskopiske befugtning αw for både glat planar silica, grafit overflade og ru nanoporous materialer. Værdier af αw for væsker på disse silica og grafit substrater (figur 5A, B) kan findes baseret på følgende ligning.

Equation 3(3)

Her
Εfw, εff = energi dybet af Lennard-Jones potentialet;
Σfw = kollision længden af Lennard-Jones potentialet;
Rhow = antallet af solid atomer pr. enhedsvolumen;
Δ = afstanden mellem adskille lagene i underlaget.

Disse værdier er taget fra tidligere publicerede litteratur22,23,24. Måling af befugtningen tillader karakterisering af adsorbate/adsorbent interaktioner. Potentiometrisk titrering og EDX analyse giver måling af befugtningen en fuldstændig beskrivelse af de overflade egenskaber af en given prøve. Jo lavere kontakten vinkel, jo højere den befugtningen, hvilket betyder, at samspillet mellem den gennemtrængende flydende molekyle og studerede overfladen er stærkere (figur 5A, B).

Figur 6 viser ruhed fraktioner f beregnes ud fra Cassie-Baxter model25 vs den mikroskopiske befugtning parameter for nanoporous kulstof (OMC; Figur 6A) og silica (SBA-15; Figur 6B) matrix. Vi antager at fugte på ru overflader sker efter Cassie-Baxter mekanisme (dvs., dråbe af væsken ikke trænge hulrum men er på toppen af uregelmæssighederne, [som vist i mellemværker af figur 5A, B ]). I denne model beskrives kontakt vinklen på den ru overflade θp som:

cosθp = f(1 + cosθ) - 1 (4)

Her
Θ = værdien kontakt vinkel på et glat nonporous substrat (glas);
f = er fraktion af den porøse overflade, som er i direkte kontakt med den flydende interface.

Det er værd at evaluere ruhed fraktioner f (ligning 4) som fungerer som en korrektionsfaktor for at fortolke kontakt vinkel målinger for de flydende molekyler med prøveoverfladen i porerne.

Figur 7 præsenterer de dielektriske spektroskopi resultater for deutereret vand er begrænset i de undersøgte prøver af ÅKM (figur 7A) og SBA-15 (figur 7B). Disse illustrerer temperatur dependences elektriske kapacitet C for begge prøver (figur 7A, B). I fast tilstand af polar stoffet, deres orientational polarisering forsvinder og dielektricitetskonstant ε er lig med n2, hvor n er brydningsindeks af stoffet. Den skarpe stigning synlige i C-T kurver angiver de smeltende faseovergange i systemet. Temperaturen af den unormale stigning af C-T-funktionen giver mulighed for bestemmelse af melting point af både bulk-væsken og smeltepunktet i porerne i den undersøgte prøve.

Figure 1
Figur 1: Eksperimenterende N2 adsorption/desorption isoterm plot på 77 K og porøsitet distributioner af Barrett, Joyner og Halenda metode (BJH)7,26,27. For (A og B) nanoporous carbon materiale og (C og D) silica SBA-15 materiale. Kvælstof isotermerne Vis karakteristiske hysterese sløjfer, en oplysning om figuren og pore størrelse distributioner af studerede porerne. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: TEM billeder illustrerer den bestilte nanoporous kanaler struktur. (A - C) TEM billeder af nanoporous carbon langs (001) retning ved forskellige forstørrelser. (D - E) strukturen i SBA-15. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: potentiometrisk titrering resultater for OMC og SBA-15 (pH afhængighed af den overflade massefylde). Overflade massefylde afhængighed af pH viser forskellene i den elektrokemiske karakter af begge materialer; pzc punktet indeholder oplysninger om antallet af sure sites på prøveoverfladen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: eksempler på TEM - EDS spectra og EDS analyse. (A og B) EDS spektre for den åbne koordinationsmetode prøve, optaget fra to forskellige områder markeret på TEM-billedet. (C) EDS spectra og kvantitativ analyseresultatet af eksemplet SBA-15. Kvantitative resultater af en EDS analyse giver oplysninger om tilstedeværelsen af elementer i den funktionelle gruppe ansvarlig for overflade reaktivitet; Dette er et supplement til den potentiometrisk titrering teknik. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Kontakt vinkler vs parameteren mikroskopiske befugtning målt inside de porøse matricer. (A) nanoporous kulstof (OMC) og (B) silica (SBA-15) matrix, refereres til som kontakt vinkler vs funktionen mikroskopiske befugtning parameter på glat HOPG og glas substrater, henholdsvis. Befugtningen inde i porerne refererer til befugtningen på plane overflader og giver nogle oplysninger om indflydelsen af pore ruhed på adsorbate/adsorbent interaktioner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Ruhed fraktioner f beregnes fra Cassie-Baxter model vs parameteren mikroskopiske befugtning. (A) nanoporous kulstof (OMC) og (B) silica (SBA-15) matrix. En anvendelse af Cassie-Baxter model af befugtningen giver mulighed for fortolkning af kontakt vinkler på ru porøs substrater. F fraktioner beregnes ud fra denne model beskriver procentvise bidrag af den porøse væg, som er i direkte kontakt med den væske overflade. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Temperatur dependences af elektriske kapacitans D2O vand afgrænset af den åbne koordinationsmetode og SBA-15 porøse matrix. Den åbne koordinationsmetode (A) og (B) SBA-15 porøse matrix. Fortolkningen af C-T funktion giver mulighed for identifikation af temperaturen i fase overgangen af D2O i porerne og i bulk forekommer i den studerede system. En forhøjelse af C-T funktion føre til stigning i smeltepunktet for begge bulk vand og begrænset vand inde i porerne. Værdien af smeltepunkts skift i porerne i forhold til størstedelen er afhængige af host/gæst molekylære interaktioner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Stikprøve Areal (SBET)en  Porevolumen Pore størrelse distribution
(m2/g) (cm3/g) (nm)
Ssamlede Smicb Vsamledec Vmicb Dhd Dmo (NLDFT)e Dmo(BJH)f
OMC 757 23 0.87 0,006 4.6 0,4 3.9
SBA-15 460 16 0,6 0,004 5.3 * 5.5

Tabel 1: værdier af stoflige parametre, som beskriver en porøs struktur af bestilte nanoporous kulstof og SBA-15 silica beregnes fra N 2 sorption isotermerne. en BET areal beregnes ved hjælp af eksperimentelle point ved den relative tryk (P/P0) 0,035 - 0.31, hvor P og P0 er betegnet som ligevægt og mætning presset af kvælstof. b Areal og pore volumen af micropores beregnet ved metoden t-plot med en monteret statistiske tykkelse i intervallet fra 3,56 til 4,86 Å. csamlede porevolumen beregnet ved 0,0015468 x mængden af kvælstof adsorberet på P/P0 = 0,99. d Hydraulisk pore diametre beregnes ud fra BET overfladen områder og pore mængder efter ligningen: Dh = 4V/S. e Pore diameter anslået fra PSD maksimalt nonlocal tæthed funktionelle teori (NLDFT). NLDFT beregninger blev udført ved hjælp af en ikke-negativ legalisering af 0,001 og porer cylindrisk geometri som en model af kulstof porøsitet. f Pore diameter anslået fra metoden BJH (de samme resultater for adsorption og desorption data). * Manglen værdier af pore diametre af SBA-15 anslået fra metoden NLDFT. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De kritiske faser under udarbejdelsen af det bestilte mesoporøse carbon materiale omfatter forberedelse af de bestilte mesoporøse silica materialer som skabelonen med veldefinerede strukturelle egenskaber, der påvirker de endelige materialers egenskaber og en temperering/forkoksning trin under en atmosfære af nitrogen. Ændring af den typiske metode til forberedelse af mesoporøse bestilt silikater med cylindrisk porer28 vedrører anvendelsen af en atypisk struktur-lede agent, der er PE10500 polymer, for forbedring af strukturelle egenskaber af materialet. Den tre-dimensionelle, sammenkoblede og stabil porøs struktur af skabelonen er nødvendige for udarbejdelsen af mesoporøse kulstof materialer. Desuden er en afgørende ulempe af præparatet de væsentlige krav til prøve behandling for skabelon fjernelse. Egenskaberne for kemikalier, der anvendes i dette trin kan påvirke carbon overflade og dens funktionalitet. Ifølge den præsenterede strategi, er forberedelse af den negative replikering af ÅKM baseret på skabelonen bestilte mesoporøse solid. Pore størrelse kontrol og symmetrisk bestilling bestemmes simpelthen ved hjælp af skabelonen silica og er ikke forbundet med samspillet mellem kulstof forløber og skabelonen. OMC potentiale for forskellige elektrokemiske systemer har været angivet i litteratur29,30. Imprægnering mekanisme præsenteret i dette arbejde er ansvarlig for facile proces netop replikere negative strukturen i skabelonen silica. Arten af den hårde skabelon procedure sikrer, at pyrolyse fænomen forårsage mindre skader på strukturen regelmæssig og ordnet. Desuden, denne metode giver mulighed for en lettere grafitisering af de åbne koordinationsmetode materialer dannet inden for den faste skabelon.

Den eksperimentelle N2 adsorption/desorption isoterm (figur 1A, C) blev brugt til at opnå foreløbige oplysninger om type og størrelse af porøsitet. Nanoporous karakter af materialet blev klart bekræftet. En lille stigning i mængden af kvælstof adsorberet i den indledende fase af oparbejde (i rækken af relative pres under 0,03) og dens betydelig stigning i den række af relative tryk (især i rækken af mesopores) angiver den eksistensen af et betydeligt antal af mesopores og manglende, eller et meget lille antal micropores. Adsorption-desorptionsisotermer opnået for dette materiale er typisk for type-IV (IUPAC klassificering31), som er en korrekt afspejling af carbon mesoporøse kanal system med en skarp kapillær kondens scenen på mellemliggende slægtning pres (0,45 - 0,9 P/P0). Placeringen af kapillar kondens trin svarer til den primære størrelse af mesopores (om 4-5 nm). Den undersøgte carbon prøve udstiller også en høje specifikke overfladeareal (757 m2·g-1) og en betydelig porevolumen (0.87 cm3·g-1).

De kritiske faser under kvælstof adsorption/desorption målingerne er meget præcise masse prøve bestemmelse trin og tilstrækkeligt degas trin. Målingen blev udført efter passende retningslinjer. Trods det faktum, at bestemmelsen af arealet og pore størrelse distribution er baseret på physisorption måling, er fortolkningen af de eksperimentelle isotermerne ikke altid direkte.

Under beregning af mesopores' størrelse distribution af anvendelsen af den modificerede Kelvin ligning, (som er grundlaget for teorien), er det nødvendigt at acceptere antagelsen af de stive porer af veldefinerede form. Endvidere, vifte af gyldigheden af Kelvin ligning og fortolkningen af hysterese sløjfer på isotermerne fortsat uløste problemer. Mulighed for facilitering er relateret til anvendelsen af empiriske metoder til isoterm analyse (f.eks.,at αs-metode29,30,31,32, 33,34). Dog, denne måde kræver brug af adsorption data indhentet med nonporous referencematerialer.

Figur 1B D præsenterer mesopores' størrelse distributioner af undersøgte prøver (PSD). Antagelse af BJH teori tilladt bestemmelse af mesopores' størrelse distribution. PSD kurven præsenteret i figur 1B tyder på, at kulstof prøven indeholdt mesopores størrelser af 3,5-4 nm, mens SBA-15 besad porer med en diameter på omkring 5 nm (Se figur 1 d). Det er interessant, for den åbne koordinationsmetode prøve, maxima af pore størrelse distribution kurver beregnes ud fra adsorption og desorption data er meget ens. Som nøjagtig overensstemmelse mellem resultater, i betragtning af forskellige ordninger for adsorption og desorption fænomener, bevis en meget bestilte og ensartet karakter af materialet. De stoflige egenskaber bestemmes ud fra eksperimentelle isotermerne er sammenfattet i tabel 1.

Egenskaberne for de pore netværksstruktur baseret på fysisk adsorption/desorption analyser er grundlæggende til karakterisering af nanopowders og nanomaterialer. Kvælstof adsorption/desorption metoder kan betragtes som den første fase i karakterisering af Mikroporøs og mesoporøse legemer. Metoden er generelt gældende for prøver af alle klasser af porøse organer eller materialer og giver en vurdering af de porøse strukturer på grundlag af figurer af isotermerne og hysterese løkker direkte fra den eksperimentelle målinger. Kvælstof adsorption/desorption ved siden af de andre metoder af porøse struktur bestemmelse (flydende indtrængen35 og lys, røntgen og neutron spredning36,37 og mikroskopi32) er den vigtigste og nyttig teknik på grund af bred anvendelighed og gensidig sammenlignelighed af resultaterne.

Nitrogen er en standard adsorptive gas molekyle for pore karakterisering af gas adsorption metode. Det er muligt at anvende andre typer af molekyler (kuldioxid, argon, krypton) for at opnå nye oplysninger om prøven og karakterisering af Mikroporøs materialer.

TEM micrographs af undersøgte OMC og SBA-15 prøver er præsenteret i figur 2. De bekræftede et særdeles ordnet system af mesopores, bestående af parallel og meget lignende porøse kanaler og en kulstof stang-formede struktur med pore størrelse ~ 11 nm (figur 2A-C). TEM micrographs af ÅKM bekræftet en sekskantet symmetri af porer som følge af den inverse replika af indledende nanoporous silica forløber og porestørrelse mellem stænger af 4,0 nm. Eksemplet SBA-15 viser to-dimensionelle bestilte sekskantede struktur af mesopores; SBA-15 velordnet struktur er observeret i begge fremskrivninger, sammen med de nanoporous kanaler og vinkelret på dem (figur 2D, E). Disse bemærkninger er i god aftale med værdierne fra eksperimentel kvælstof sorptionsdata (Se tabel 1). Transmissions elektronmikroskopi er købedygtig levere billeder med en højere opløsning end lysmikroskopi på grund af den mindre de Broglie bølgelængde af elektroner. Dette gør det muligt for os at fange detaljer tusindvis af gange mindre end en opløselige objekt set i en lysmikroskopi. I denne metode kommer billedet af et samspil mellem elektroner med prøven når strålen bliver transmitteret gennem prøven. En af begrænsningerne i metoden er derfor, at modellen skal være en ultratynde film på mindre end 100 nm tykke eller en suspension, der er anvendt på et gitter. TEM kan forbedres ved en scanning transmissions elektron mikroskop (STEM). Det bør være muligt ved tilføjelse af en system, kombineret med passende detektorer, som vil raster stråle på tværs af prøven til at danne billedet.

PH i punkt i nul afgift af ÅKM (dvs., pH-værdi, under hvilken den samlede overflade af kulstof partikler er positivt ladede) fandtes for at være over pH = 10 (figur 3). Til sammenligning er pH vederlagsfrit punkt af nul af SBA-15 materiale svarende til omkring 4.5. Potentiometrisk titrering resultaterne af SBA-15 materiale viser et skift af pHpzc mod lavere pH værdier, beviser for eksistensen af nogle syre Centre på SBA-15 overflade. De negativt ladede websteder øge Van der Waals interaktioner mellem adsorbent/adsorbate molekyler i SBA-15 matrix, forbedre egenskaberne adsorptive af silica matrix.

De kritiske faser under potentiometrisk titrering måling omfatter meget præcise tilsætning af titrant til suspension og kontinuitet af omrøring. Potentiometrisk titrering procedure var fuldt automatiseret for at sikre de mest pålidelige resultater. En anden vigtig og enestående skridt var anvendelse af særlig software til styring af eksperimentelle betingelser og beregninger. Begrænsning af denne metode er trinnet kalibrering af pH-elektrode og nødvendigheden af at sikre en stabil atmosfære (f.eks kvælstof) og temperatur. Potentiometrisk titrering kan kategoriseres som en syre/base titrering procedure. Denne teknik kræver målinger af spænding ændring på titrant tilsætning trin. Det giver en fleksibel, overkommelig og meget præcis teknik for at opnå høj renhed, som er af afgørende betydning i mange områder, især i pharmaceuticals og funktionel materiale undersøgelser. Faktisk, er der en række typer af potentiometrisk titreringer. Der er for eksempel, syre-base, redox, nedbør og kompleksometriske metode teknikker. Som potentiometrisk titreringer kan realiseres automatisk, sikrer det større kapacitet for prøven karakterisering.

Pzc bestemmes som skæringen af elektrolyt titreringskurven og titreringskurven indspillet for carbon materiale, som skæringspunktet mellem den overflade massefylde kurve med aksen. Resultatet tyder på, at undersøgt, beordrede nanoporous carbon materiale har grundlæggende egenskaber relateret til tilstedeværelse af ilt funktionelle grupper (-OH terminal grupper af keton, pyronic ring, chromenic og π-elektron systemer)38,39 ,40,41. De grundlæggende egenskaber for carbon overfladen kan være et resultat af en termisk behandling, der forårsager gradvis ødelæggelse og fjernelse af sure ilt funktionelle grupper (for eksempel carboxyls, laktoner og phenoler) og således beriger carbon overfladen i basic funktionelle grupper42. Tilstedeværelsen af disse grundlæggende websteder er en konsekvens af det samtidige fald i antallet af sure sites og en reduktion af iltindholdet direkte tilknyttet surhedsgrad. Indholdet af ilt blev bekræftet af TEM-EDS.

TEM-EDS spectra billeder af den åbne koordinationsmetode overflade fra to forskellige områder af prøven er vist i figur 4A, B. Ilt og silicium atomer fra den åbne koordinationsmetode overflade blev opdaget trods den dominerende mængde af kulstof. Den atomare og vægt procentdel af elementer, præsenteret som mellemværker og opnået fra forskellige områder af prøverne, svarer og angive omkring 98% består af kulstof og kun lidt mere end 1% for sammensætningen er kan henføres til ilt. EDS mikroanalyser kan tyde på at den grundlæggende karakter af den åbne koordinationsmetode overflade er forbundet med meget lavt antal af ilt-holdige funktionelle grupper, som typisk har sure funktionalitet. Desuden, de grundlæggende funktionelle grupper kan være ansvarlig for dyrkning af hydrofiliciteten af kulstof materialer. En EDS spektrum af silica matrix bekræfter de vigtigste bidrag af ilt og silicium overflod i SBA-15 (fig. 4 c). EDX er en af de teknikker, der bestemmer den atomare sammensætning af modellen. Det giver ikke kemiske oplysninger (f.eks., oxidationstrin, kemiske bindinger), som en XPS-metoden. Til kvantitativ analyse er EDX ikke egnet til lette elementer (e.g.,like ilt) da det kun kan påvise tilstedeværelsen af ilt, men ikke kan kvantificere det. Denne metode virker kun på overfladen af tynde lag (på nogle få mikrometer eller derunder) og er meget følsomme over for forurening i modellen.

I figur 5 A, B resultaterne af kontakt vinkel målinger for flere væsker på silica og carbon substrater er præsenteret; Vi kan se, at systemerne, der afslører en lang række wettabilities. To af de anvendte substrater er glat og plane, nemlig silica og carbon overflader, mens de andre vis ruhed og indeholder mesopores. De målte kontakt vinkler præsenteres vsparameteren mikroskopiske befugtning, αw. Denne parameter er forholdet mellem de væske-pore væg intermolekylære vekselvirkninger til samspillet mellem to flydende molekyler22,23,24. Derfor, det måler befugtning egenskaber på nano- og macroscales. Parameteren αw er vist sig at være en monoton funktion af den kontakte vinkel. Ifølge målinger, værdier af kontakt vinkler for overflader med roughnessare højere end for de glatte plane overflader, uanset typen af studerede væsker, herunder nonwetting andwell-befugtning væsker.

Disse resultater tyder Cassie-Baxter mekanisme af befugtningen på nanorough overflader af porøse vægge. Desuden kontakt vinklerne målt til flere væsker inde silica og carbon nanoporer angive bedre befugtningen af silica vægge end carbon vægge, og påvirkning af pore ruhed væske/væg interaktioner er mere udtalt for silica end for kulstof nanoporer. Metoden kapillær stigning bruges til at bestemme kontakt vinkler og befugtningen af små partikler i pulvere. For en flad fast substrat, kan mange teknikker, som siddende slip-metoden og Wilhelmy plade metode, anvendes til at kontakte vinkel målinger. Brug af kapillar anledning metode forudsætter tilfredshed af fire betingelser i løbet af processen (dvs., Washburns ligning er afledt baseret på disse fire antagelser): (1) en konstant laminar flow, (2) i mangel af et ydre pres, (3) ubetydelig gravitationel kraft, og (4) væske på grænsefladen fast-flydende ikke bevæger sig. Det hydrostatiske tryk er meget mindre end den kapillære pres; Derfor, den kapillære pres får væske til at stige opad langs røret. Befugtningen undersøgelser af små partikler skal altid tages hensyn nøjagtighed og reproducerbarhed af resultaterne.

Tomeasure præcist kontakt vinklen af små partikler, pres intervaller og de hydrostatiske virkninger bør tages hensyn i Washburns ligning til mere præcist beskriver forholdet mellem tryk tilvækst og tid.

I figur 6A, B, vi præsenterer brøkdel f (der beskriver del af en porøs overflade, som er i direkte kontakt med den flydende interface), defineret som f = (1 + cosθp) / (1 + cosθ). Det tager værdier fra rækken af 0,73 (H2O) til 0,92 (OMCTS) for silica matrix og rækken af 0,82 (H2O) til 0,93 (OMCTS) for carbon matrix. Desuden, brøkdel f øger monoton med parameteren stigende αw , hvilket bekræfter Cassie-Baxter modellen af befugtning på ujævnt underlag.

Disse resultater, drøftes inden for rammerne af Cassie-Baxter model, viser, at for nanosurfaces, påvirkning af microroughness væsentligt påvirker ændringer i væske-væg interaktioner.

For at undersøge indflydelsen af karakteren af de porøse overflader på indespærring virkningerne af D2O i SBA-15 og OMC matricer med en sammenlignelig porestørrelse 5 nm, dielektrisk metoden blev brugt. Resultaterne af den elektriske kapacitet vand placeret i OMC og SBA-15 ved opvarmning, som præsenteres i figur 7A og figur 7B, henholdsvis, tyder på at temperatur afhængigheden af kapacitans C viser en kraftig stigning på T = 260 K, svarende til den smeltende adsorberet D2O inde i porerne i SBA-15, og på T = 246.1 K, som henviser til smeltning af vand adsorberet inde i porerne i åbne koordinationsmetode. For begge systemer, vi observerer en forøgelse af funktionen C(T) på T = 276.5 K, som der henvises til smeltepunktet af bulk deutereret vand. De observerede signaler er relateret til både hovedparten og begrænset væsken fordi prøverne studeres som suspension i fyldt porøse matricer med flydende er i overskud. I forhold til, at hovedparten, smeltepunktet af D2O i SBA-15 porer er deprimeret af ΔT = Tm, pore− Thomsenm, bulk = 16,5 K, mens det for OMC, ΔT =-30.4 K.

Disse resultater kommer fra forskellige strukturer af pore væg. Smeltepunktet i porerne Thomsenm, pore er afhængige af to variable, nemlig porestørrelse H og parameteren befugtningen αw. For mindre αw værdier (αw < 1), depression af Tm, pore forventes. Hvis pore bredde H er det samme, så påvirker ændringen i αw værdien af systemet ændringen i Tm, pore. Resultaterne af befugtningen i porerne viser, at αw værdien i begge systemer studerede falder på grund af ruhed virkningerne i forhold til de af den glatte overflade. Arbejdet i nedsænket befugtningen i porer We = γlcosθp er meget mindre for D2O i åbne koordinationsmetode (We = 4,2432 [mN/m]) end i SBA-15 (We = 20,968 [mN/m]), hvilket fører til en høj depression af smeltepunktet i dette system, i forhold til, til U2O i SBA-15 system.

De opnåede resultater indikerer en forbedring i effekterne vedhæftning på porøse silica væggen, i forhold til dem på carbon væg. Denne metode har visse begrænsninger, når det anvendes på de undersøgte prøver. En af dem kommer fra det faktum, at referatet af funktionen C(T) indeholder signalet fra både bulk-væske og væske er begrænset i porerne. Derfor, signalet fra begrænset upolære væsken er svagt, og det er vanskeligt at bestemme den smeltende temperatur. I fremtiden, er det værd at kombinere nogle yderligere metoder sammen med det. (f.eks., differential scanning kalorimetri på en langsom opvarmning sats eller centrifugering prøven for at få koncentreret prøve uden væske). Desuden de ledende prøver er der behov for at bruge en polytetrafluorethylen plade. En fordel af dielektriske spektroskopi metode er, at metoden er brugt en masse i mange områder af forskning, som glas overgange og Tidsskala Molekylær bevægelser, hvor tidslængde er i snesevis af femtoseconds til nanosekunder. Derfor er det vigtigt at give frekvenserne spænder fra megahertz til terahertz. I tilfælde som nedbrydning af de fremkomne spektre eller fortolkning og kvantitativ analyse af resultaterne ligner teknikken mere almindelige spectroscopies. Men metoden dielektrisk undersøger de kollektive udsving af molekyler med et permanent dipolmoment (polar væsker). For eksempel, giver infrarød spektroskopi yderligere supplerende oplysninger, selv om følsomhed i retning af kollektive transportformer kan vanskeliggøre fortolkningen af dielektriske spektre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke de nationale Center for videnskab for at yde finansiel støtte med tilskud ikke. DEC-2013/09/B/ST4/03711 og UMO-2016/22/ST4/00092. Forfatterne er også taknemmelig for den delvise støtte fra de Polen operationelle Program Humankapital PO KL 4.1.1, samt fra det nationale center for forskning og udvikling, under forskning tilskud nr. PBS1/A9/13/2012. Forfatterne er især taknemmelig for Prof. L. Hołysz fra Interfacial fænomener Division, fakultetet for kemi, Maria Curie-Skłodowska Universitet, Lublin, Polen, for hendes venlighed og gør det muligt for målingerne af befugtningen i SBA-15 nanoporer.

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

Kemi spørgsmål 145 Nanoporous kulstofatomer Cassie-Baxter model befugtningen modificerede Washburn ligning mikroskopiske befugtning parameter kvælstof adsorption/desorptionsisotermer potentiometrisk titrering syrer
Overflade egenskaber af syntetiserede Nanoporous kulstof og Silica matricer
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