संश्लेषित Nanoporous कार्बन और सिलिका मैट्रिक्स के भूतल गुण
Summary
यहां हम संश्लेषण और आदेश दिया nanoporous कार्बन के लक्षण वर्णन रिपोर्ट (एक ४.६ एनएम ताकना आकार के साथ) और SBA-15 (एक ५.३ एनएम ताकना आकार के साथ) । इस कार्य में नैनोगाबाज आण्विक छलनी की सतह और टेक्टीरियल गुणों, उनकी आर्द्र क्षमता, और डी2ओ के पिघलने के व्यवहार को सामग्रियों में सीमित किया गया है ।
Abstract
इस काम में, हम संश्लेषण और आदेश दिया nanoporous कार्बन सामग्री के लक्षण वर्णन रिपोर्ट (भी बुलाया mesoporous कार्बन सामग्री [OMC]) एक ४.६ एनएम ताकना आकार के साथ, और आदेश दिया सिलिका झरनी मैट्रिक्स, SBA-15, एक ५.३ एनएम ताकना आकार के साथ । यह काम nanoporous आणविक छलनी, उनके wettability की सतह के गुणों का वर्णन है, और डी2ओ के पिघलने व्यवहार अलग तरह का आदेश दिया समान ताकना आकार के साथ सरंध्र सामग्री में सीमित । इस उद्देश्य के लिए, omc और sba-15 के साथ उच्च nanoporous संरचनाओं के साथ एक कार्बन प्रणेता लागू करने और सोल-जेल विधि द्वारा क्रमशः सिलिका मैट्रिक्स के संसेचन के द्वारा संश्लेषित कर रहे हैं । खोजी गई प्रणालियों की छिद्रयुक्त संरचना का लक्षण है-७७ क में2 अधिशोषण-विशोषण विश्लेषण । संश्लेषित सामग्रियों की सतह के विद्युत रासायनिक चरित्र का निर्धारण करने के लिए, विभवमितीय टाइट्रेट करने के माप का आयोजन किया जाता है; OMC के लिए प्राप्त परिणाम पीएच के उच्च मूल्यों की ओर एक महत्वपूर्ण पीएचpzc शिफ्ट, sba के सापेक्ष-15 से पता चलता है । यह पता चलता है कि जांच OMC ऑक्सीजन आधारित कार्यात्मक समूहों के लिए संबंधित सतह गुण है । सामग्रियों के पृष्ठीय गुणों का वर्णन करने के लिए, अध्ययन किए गए असुरक्षित बिस्तरों में मर्मज्ञ तरल पदार्थ के संपर्क कोण भी निर्धारित होते हैं । केशिका वृद्धि विधि कार्बन दीवारों के सापेक्ष सिलिका दीवारों की वृद्धि हुई wettability और तरल पदार्थ/दीवार बातचीत है, जो सिलिका के लिए कार्बन mesopores की तुलना में अधिक स्पष्ट है पर ताकना खुरदरापन के प्रभाव की पुष्टि की है । हमने भी डी2ओ के पिघलने वाले व्यवहार का अध्ययन किया है जो कि डाइइलेक्ट्रिक पद्धति को लागू करके OMC और sba-15 में सिमटा हुआ है । परिणामों से पता चलता है कि डी2ओ के पिघलने के तापमान omc के pores में के बारे में 15 K उच्च sba में पिघलने के तापमान के अवसाद के सापेक्ष है-15 एक तुलनीय 5 एनएम आकार के साथ pores । यह अध् ययन मैट्रिक्स के अधिशोष्य/अधिशोषक अंतःक्रियाओं के प्रभाव के कारण होता है ।
Introduction
१९९२ में, एक कार्बनिक टेम्पलेट का उपयोग करते हुए पहली बार के लिए nanoporous सिलिका सामग्री प्राप्त किया गया था; तब से, इन संरचनाओं के विभिंन पहलुओं से संबंधित प्रकाशनों की एक बड़ी संख्या, सिंथेटिक तरीके, उनके गुणों की जांच, उनके संशोधनों, और विभिंन अनुप्रयोगों के साहित्य में प्रकट किया है1,2 ,3. SBA में ब्याज-15 nanoporous सिलिका मैट्रिक्स4 उनकी अनूठी गुणवत्ता के कारण है: एक उच्च सतह क्षेत्र, व्यापक एक समान ताकना आकार वितरण के साथ pores, और अच्छा रासायनिक और यांत्रिक गुणों । ऐसे sba-155के रूप में बेलनाकार pores, के साथ nanoporous सिलिका सामग्री अक्सर उत्प्रेरक के लिए एक सरंध्र मैट्रिक्स के रूप में उपयोग किया जाता है के रूप में वे कार्बनिक प्रतिक्रियाओं6,7में कुशल उत्प्रेरक हैं । सामग्री विधियों कि उनकी विशेषताओं को प्रभावित कर सकते हैं की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ संश्लेषित किया जा सकता है8,9,10. इसलिए, यह कई क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोगों के लिए इन तरीकों का अनुकूलन करने के लिए महत्वपूर्ण है: विद्युत उपकरणों, नैनो, जीव विज्ञान और चिकित्सा, दवा वितरण प्रणाली, या आसंजन और tribology में । वर्तमान अध्ययन में, दो विभिन्न प्रकार के नैनोपानिक संरचनाओं को प्रस्तुत किया गया है, अर्थात् सिलिका और कार्बन छिद्रयुक्त मैट्रिक्स । उनके गुणों की तुलना करने के लिए, sba-15 मैट्रिक्स सोल-जेल विधि का उपयोग संश्लेषित है, और nanoporous कार्बन सामग्री का आदेश दिया एक कार्बन प्रणेता के साथ परिणामस्वरूप सिलिका मैट्रिक्स के संसेचन द्वारा तैयार किया जाता है ।
झरनी कार्बन सामग्री कई उनके उच्च सतह क्षेत्र और उनके अद्वितीय और अच्छी तरह से परिभाषित भौतिकरासायनिक गुण6,11,12के कारण उपकरणों में महत्वपूर्ण हैं । बेतरतीब ढंग से वितरित सरंध्रता और एक अव्यवस्थित संरचना के साथ सामग्री में ठेठ तैयारी परिणाम; वहां भी सामांय ताकना मापदंडों के परिवर्तन के लिए एक सीमित संभावना है, और इस प्रकार, अपेक्षाकृत व्यापक ताकना आकार वितरण के साथ संरचनाओं13प्राप्त कर रहे हैं । इस संभावना को उच्च सतह क्षेत्रों और nanoporous के आदेश दिया प्रणालियों के साथ नैनोग्रस कार्बन सामग्री के लिए चौड़ी है । अधिक भविष्यवाणी ज्यामिति और ताकना अंतरिक्ष के अंदर भौतिक रासायनिक प्रक्रियाओं के अधिक नियंत्रण कई अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण हैं: उत्प्रेरक के रूप में, जुदाई मीडिया सिस्टम, उंनत इलेक्ट्रॉनिक सामग्री, और कई वैज्ञानिक क्षेत्रों में nanoreactors14 , 15.
असुरक्षित कार्बन replicas प्राप्त करने के लिए, आदेश दिया सिलिकेट्स एक ठोस मैट्रिक्स के रूप में कार्य कर सकते है जो करने के लिए कार्बन पुरोगामी सीधे पेश कर रहे हैं । विधि कई चरणों में विभाजित किया जा सकता है: आदेश दिया सिलिका सामग्री का चयन; सिलिका मैट्रिक्स में कार्बन प्रणेता का जमाव; जलकर फिर, सिलिका मैट्रिक्स को हटाने । कार्बनमय सामग्री के कई विभिंन प्रकार के इस विधि द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन नहीं सभी nonporous सामग्री एक आदेश दिया संरचना है । इस प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण तत्व एक उपयुक्त मैट्रिक्स जिसका nanopores एक स्थिर, तीन आयामी संरचना16फार्म चाहिए का चयन है ।
इस कार्य में संश्लेषित नैनोपोषी आव्यूहों के पृष्ठीय गुणों पर ताकना दीवारों के प्रकार के प्रभाव की जांच की जाती है । OMC सामग्री के भूतल गुण (OMC) के सिलिका एनालॉग (SBA-15) की सतह के गुणों से परिलक्षित होते हैं । सामग्री के दोनों प्रकार के गठनात्मक और संरचनात्मक गुण (omc और sba-15) कम तापमान N2 अधिशोषण/desorption माप (७७ K), संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM), और ऊर्जा परिक्षेपी एक्स-रे विश्लेषण द्वारा विशेषता है ( EDX).
कम तापमान वाली गैस अधिशोषण/विशोषण मापन, छिद्रपूर्ण सामग्रियों के लक्षण वर्णन के दौरान सबसे महत्वपूर्ण तकनीकों में से एक है । नाइट्रोजन गैस अपनी उच्च शुद्धता और ठोस adsorbents के साथ एक मजबूत संपर्क बनाने की संभावना के कारण एक अधिशोष्य के रूप में प्रयोग किया जाता है । इस तकनीक के महत्वपूर्ण लाभ उपयोगकर्ता के अनुकूल वाणिज्यिक उपकरण और अपेक्षाकृत आसान डेटा प्रसंस्करण प्रक्रियाओं हैं । नाइट्रोजन अधिशोषण/विशोषण समतापी का निर्धारण ठोस अधिशोषक की सतह पर ७७ के दाब की एक विस्तृत श्रृंखला (पी/पी0) में अधिशोषित अणुओं के संचय पर आधारित होता है । प्रायोगिक अधिशोषण या विशोषण समतापी से ताकना आकार वितरण की गणना के लिए बैरेट, जॉनर, और हाल्ंडा (BJH) प्रक्रिया लागू की जाती है । bjh विधि की सबसे महत्वपूर्ण मांयताओं एक तलीय सतह और जांच की सतह पर अधिशोष्य का एक भी वितरण शामिल हैं । हालांकि, इस सिद्धांत केल्विन समीकरण पर आधारित है और यह mesoporous रेंज में ताकना आकार वितरण की गणना के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाता है ।
नमूनों के विद्युत-रासायनिक चरित्र का मूल्यांकन करने के लिए, एक विभवमितीय अनुमापन विधि लागू की जाती है । सामग्री का पृष्ठीय रसायन सतह पर विषमअणुओं या प्रकार्यात्मक समूहों की उपस्थिति से संबंधित सतह आवेश पर निर्भर करता है । सतह गुण भी संपर्क कोण विश्लेषण द्वारा जांच कर रहे हैं । pores के अंदर wettability adsorbate-अधिशोषक बातचीत के बारे में जानकारी प्रदान करता है । दोनों नमूनों में सीमित पानी के पिघलने के तापमान पर दीवार खुरदरापन का प्रभाव डाइइलेक्ट्रिक विश्राम स्पेक्ट्रोस्कोपी (डीआरएस) तकनीक के साथ अध्ययन किया है । परावैद्युत स्थिरांक का मापन तरल और ठोस चरणों की ध्रुवणीयता के रूप में पिघलती हुई परिघटनाओं की जांच को एक दूसरे से अलग कर देता है । समाई के तापमान निर्भरता के ढलान में एक परिवर्तन प्रणाली में पिघल जाता है कि पता चलता है.
Protocol
Representative Results
Discussion
आदेश दिया mesoporous कार्बन सामग्री की तैयारी के दौरान महत्वपूर्ण कदम शामिल अच्छी तरह से परिभाषित संरचनात्मक गुण है कि अंतिम सामग्री के गुणों को प्रभावित करने के साथ टेम्पलेट के रूप में mesoporous सिलिका सामग्री ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों को अनुदान सं के साथ वित्तीय सहायता प्रदान करने के लिए राष्ट्रीय विज्ञान केंद्र का शुक्रिया अदा करना चाहूंगा । DEC-2013/09/B/ST4/03711 और उमो-2016/22/ST4/00092. लेखक भी पोलैंड संचालन कार्यक्रम मानव पूंजी PO KL 4.1.1 से आंशिक समर्थन के लिए आभारी हैं, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अनुसंधान और विकास के लिए राष्ट्रीय केंद्र से, अनुसंधान अनुदान सं के तहत । PBS1/A9/13/2012 । लेखकों को विशेष रूप से प्रोफेसर के लिए आभारी है Interfacial घटना प्रभाग, रसायन विज्ञान के संकाय, मारिया क्यूरी-Skłodowska विश्वविद्यालय, Lublin, पोलैंड, उसकी दयालुता के लिए और SBA में wettability के माप-15 nanopores सक्षम करने से ।
Materials
| 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 |
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