Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Overflateegenskaper av syntetisk Nanoporous karbon og Silica matriser

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 av bestilte nanoporous karbon (med 4,6 nm porestørrelse) og SBA-15 (med en 5,3 nm porestørrelse). Arbeidet beskriver overflaten og tekstur egenskapene til nanoporous molekylær sikter, deres wettability og smeltende virkemåten til D2O i materialet.

Abstract

I dette arbeidet vi rapportere syntese og karakterisering av bestilt nanoporous karbon materiale (også kalt bestilte mesoporous karbon materiale [OMC]) med 4,6 nm porestørrelse og bestilte silica porøse matrise, SBA-15, med en 5,3 nm porestørrelse. Dette verket beskriver egenskapene overflate nanoporous molekylær sikter, deres wettability, og smelter virkemåten til D2O begrenset i annerledes bestilte porøse materialer med lignende pore størrelser. For dette formålet syntetisert OMC og SBA-15 med svært bestilte nanoporous strukturer er via impregnering av silika matrisen ved å bruke en karbon forløper og sol-gel metoden, henholdsvis. Den porøse strukturen undersøkte systemer er preget av en N2 adsorpsjon-desorpsjon analyse på 77 K. For å bestemme elektrokjemiske karakter av overflaten av syntetisk materiale, utføres potentiometric titrering mål; innhentet resultatene for OMC viser en betydelig pHpzc Skift mot de høyere verdiene av pH, i forhold til SBA-15. Dette tyder på at undersøkte OMC har overflate egenskaper for oksygen-baserte funksjonelle grupper. For å beskrive egenskapene overflate materiale, bestemmes også kontakt vinkler av væsker gjennomtrengende studerte porøse senger. Metoden kapillær stige har bekreftet den økt wettability av silika veggene i forhold til karbon veggene og innflytelse pore grovheten på væske/vegg interaksjon, som er mye mer uttalt for silica enn for karbon mesopores. Vi har også studert smeltende virkemåten til D2O begrenset OMC og SBA-15 ved å bruke metoden dielektrisk. Resultatene viser at depresjonen i Smeltetemperaturen for D2O i porene i OMC er ca 15 K økte i forhold til depresjonen i Smeltetemperaturen i SBA-15 porene sammenlignbare 5 nm størrelse. Dette skyldes påvirkning av adsorbate/adsorbent interaksjoner av de studerte matriser.

Introduction

I 1992, ble bestilte nanoporous silica materialer innhentet for første gang, bruker en organisk mal; siden da en rekke publikasjoner knyttet til ulike sider ved disse strukturene, syntetiske metoder, etterforskning av egenskaper, deres endringer, og ulike programmer har dukket opp i litteratur1,2 ,3. Interessen for SBA-15 nanoporous silica matrix4 er på grunn av sin enestående kvalitet: en høy areal, bredt porene med en ensartet porestørrelse distribusjon og gode kjemiske og mekaniske egenskaper. Nanoporous silisium materialer med sylindriske porene, for eksempel SBA-155, brukes ofte som en porøs matrise for katalysatorer som de er effektiv katalysatorer i organisk reaksjoner6,7. Materialet kan syntetiseres med en rekke metoder som kan påvirke deres egenskaper8,9,10. Derfor er det viktig å optimalisere disse metodene for potensielle applikasjoner i mange felt: elektrokjemiske enheter, nanoteknologi, biologi og medisin, narkotika leveringssystemer, eller heft og tribology. I denne studien, to forskjellige typer nanoporous strukturer presenteres, nemlig silica og karbon porøse matriser. For å sammenligne egenskapene, SBA-15 matrix er syntetisert med metoden sol-gel, og bestilte nanoporous karbon materialet er utarbeidet av impregnering av resulterende silica matrisen med en karbon forløper.

Porøse karbon materialer er viktig i mange apparater på grunn av deres høye areal og deres unike og godt definert mekanisk-egenskaper6,11,12. Typisk forberedelse resulterer i materialer med tilfeldig fordelte porøsitet og en uordnede struktur; Det er også en begrenset mulighet for endring av generell pore parameterne, og dermed strukturer med relativt bred pore størrelse distribusjoner hentes13. Denne muligheten er utvidet for nanoporous karbon materialer med høy flater og bestilte systemer for nanopores. Mer spådd geometri og mer kontroll over mekanisk-prosessene i pore plassen er viktig i mange programmer: som katalysatorer, media separasjonssystemer, avansert elektronisk materialer og nanoreactors i mange vitenskapelige felt14 , 15.

For å få porøse karbon kopier, kan bestilt silikaen fungere som en solid matrise som introduseres direkte karbon prekursorer. Metoden kan deles inn i flere faser: valg av bestilte silica materiale; deponering av karbon prekursor i en silica matrise; karbonisering; deretter fjerning av silika matrix. Mange forskjellige typer oppdagere materialer kan fås ved denne metoden, men ikke alle nonporous materialer har en organisert struktur. Et viktig element i prosessen er valget av en egnet matrise som nanopores må danne en stabil, tredimensjonal struktur16.

I dette arbeidet, er påvirkning av typen pore vegger i syntetisk nanoporous matriser overflate egenskaper undersøkt. Overflateegenskaper OMC materiale reflekteres av egenskapene overflaten av silisium analog (SBA-15) av OMC. Tekstur og strukturelle egenskapene til begge typer materialer (OMC og SBA-15) er preget av lav temperatur N2 adsorpsjon/desorpsjon målinger (på 77 K), overføring elektronmikroskop (TEM) og energi dispersiv X-ray analyse ( EDX).

Lav temperatur gass adsorpsjon/desorpsjon måling er en av de viktigste teknikkene under karakterisering av porøse materialer. Nitrogen gass brukes som en adsorbate på grunn av dens høy renhetsgrad og muligheten til å lage en sterk interaksjon med solid adsorbents. Viktigste fordelene med denne teknikken er brukervennlig kommersielle utstyr og relativt lett databehandling prosedyrer. Fastsettelse av nitrogen adsorpsjon/desorpsjon isotherms er basert på akkumulering av adsorbate molekyler på overflaten av solid adsorbent på 77 K i en rekke Press (P/P0). Barrett, Joyner og Halenda (likevel) fremgangsmåten for å beregne den porestørrelse distribusjonen fra experimental adsorpsjon eller desorpsjon isotherms brukes. De viktigste forutsetningene for metoden likevel inkluderer en plan overflate og en jevn distribusjon av adsorbate på undersøkte overflaten. Men denne teorien er basert på Kelvin ligningen og det er fortsatt den mest brukte måten for beregning av porestørrelse distribusjon i området mesoporous.

For å evaluere den elektrokjemiske karakteren av prøvene, brukes en potentiometric titrering metode. Overflatekjemi av materialet er avhenger av overflaten kostnader knyttet til heteroatoms eller funksjonelle grupper på overflaten. Egenskapene overflaten er også undersøkt av kontakt analyse. Wettability inne i porene gir informasjon om adsorbate-adsorbent interaksjoner. Påvirkning av veggen grovheten på smeltende temperaturen på vannet i begge prøver er studert med dielektrisk avslapning spektroskopi (DRS) teknikk. Målinger av dielektrikum konstant tillate etterforskningen av smelting fenomener som polarizability av væsken og solid faser er forskjellige fra hverandre. En endring i skråningen av temperatur avhengigheten av kapasitans viser at smelter oppstår i systemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forberedelse av OMC

  1. Syntese av en silica matrise som OMC forløper
    1. Forberede 360 mL 1,6 M HCl ved å legge til 50 mL HCl (36% - 38%) i en 500 mL runde bunn kolbe og, deretter, legge 310 mL ultrapure vann (resistivitet av 18.2 MΩ·cm).
    2. Det, legge 10 g av PE 10500 polymer (6.500 g/mol).
    3. Plass kolbe i ultralydbad. Varme løsningen til 35 ° C og rør det til den solid polymer er fullstendig oppløst, gjør en homogen blanding.
    4. Legge til 10 g 1,3,5-trimethylbenzene kolbe og rør innholdet (med en gripende hastighet på 220 rpm) ved å opprettholde det ved 35 ° C i vannbad.
    5. Etter røre i 30 min, legge til 34 g tetraethyl orthosilicate (TAKHOS) kolbe. Legge til TAKHOS sakte og dropwise med konstant omrøring. Sikre at det tar 10 min til 34 g TAKHOS.
    6. Rør løsning blandingen igjen for 20 h ved samme temperatur (35 ° C).
    7. Overføre innholdet i flasken i en polytetrafluoroethylene kassett og plasserer den i en autoklav. La løsningen for 24 h på 90 ° C.
    8. Filtrere den resulterende bunnfall, bruker en Büchner trakt, og vask det med destillert vann, med minst 1 L.
    9. Tørr innhentet solid ved romtemperatur og bruke en termalbehandling prøven på 500 ° C med en dempe ovn i en luft atmosfære for 6 h.
  2. Impregnering av resulterende silica matrise, ved hjelp av en karbon forløper
    1. Forberede impregnering løsninger (IS1 og IS2) med riktige proporsjoner vann, 3 M svovelsyre (VI), og sukker (glukose), der glukose spiller rollen som karbon forløper og svovelsyre fungerer som katalysator.
      FORSIKTIG: Svovelsyre er meget giftig, det forårsaker alvorlige hud brannsår og øyeskade.
      1. Forberede IS1. Hvert gram av silisium, blande 5 g vann, 0,14 g av 3 M svovelsyre (VI) og 1,25 g sukker.
      2. Forberede IS2. Hvert gram av silisium, blande 5 g vann, 0,08 g av 3 M svovelsyre (VI) og 0,75 g sukker.
    2. Plass silica materialet (1 g) og løsningen IS1 karbon forløperen og katalysator i en 500 mL kolbe. Varm blandingen i en vakuum tørketrommel ved 100 ° C i 6 h.
      Merk: I dette trinnet kan du bruke bare IS1. IS2 bør brukes i neste trinn.
    3. Legge til IS2 til blandingen i vakuum tørketrommel (til løsning med delvis forkullet karbon forløperen). Varm blandingen igjen i vakuum tørketrommelen ved 160 ° C i 12 h.
  3. Tempering/karbonisering
    1. Overføre det innhentet sammensatt til en morter for fragmentering av større partikler og en homogenisering av materialet.
    2. Plasser fått produktet i flyt ovnen og varme den til 700 ° C (med en oppvarming hastighet på 2,5 ºC/min) og varme 6 h ved denne temperaturen. Varme materialet i en nitrogen atmosfære.
    3. Tillate løsningen å avkjøle før ovnen.
  4. Fjerning av silika matrix av etsing
    1. Forberede 100 mL etsing løsningen (ES). Bland 50 mL av 95% etylalkohol og 50 mL vann. Legg 7 g kaliumhydroksid og rør til det er oppløst.
    2. Stedet alle fikk forkullet materiale (minst 1 g) i en 250 mL runde bunn kolbe og legge til 100 mL ES.
    3. Angi systemet med en reflux kondensatoren og magnetisk rørestang og varme for å koke under omrøring. Koke blandingen 1t.
    4. Overføre innhentet materialet til Büchner trakten, vask den med minst 4 L destillert vann og tørk den.

2. forberedelse av silika SBA-15 Matrix

  1. Syntetisere en silica matrise.
    1. Forberede 150 mL 1,6 M HCl.
    2. Oppløse 4 g av PE 6400 polymer (EO13PO70EO13) i 150 mL sur løsning i en runde bunn kolbe.
    3. Plass kolbe i ultralydbad. Varme løsningen på 40 ° C og rør det slik at polymer kan oppløse (minst i 30 min).
    4. Sakte legge til 8,5 g TAKHOS kolbe, dropwise, med konstant omrøring. Rør løsning blandingen for 24 h ved samme temperatur (40 ° C).
    5. Overføre innholdet i flasken til polytetrafluoroethylene patron. La løsningen for 24 h i 120 ° C ovn.
    6. Filtrere den resulterende bunnfall, bruker en Büchner trakt, og vask det med destillert vann (minst 1 L).
    7. Tørr innhentet solid ved romtemperatur og calcinar for 6 h 600 ° C med en dempe ovn i en luft-atmosfære.

3. metoder for karakteristikk

  1. Lav temperatur nitrogen adsorpsjon/desorpsjon målinger
    1. Bruke en automatisk absorpsjon analyserer for å få N2 adsorpsjon/desorpsjon isotherms på 77 K.
    2. Bruk et passende glassrør for nitrogen absorpsjon målinger. Før du legger porøse prøven til glassrør, ren røret i en ultralyd skive og rense den først med destillert vann og, neste, med vannfri etanol.
    3. Varme glassrør på 150 ° C for 3t og fylle røret med komprimert nitrogen. Veie tomt glass røret under nitrogen forhold før målet å minimere vekt feilen.
    4. Plasser prøven i glass røret og veie totale masse (masse prøven med glass røret).
    5. Før målingene, degas prøven. Plass glassrør med prøven i avgassing porten av absorpsjon analysator. Bruk følgende prosess: Trykk på minst 0,01 mmHg, en temperatur på 423 K, og varigheten av 24 timer. I avgassing havn, koble prøven til vakuum og varme den til innstilte (423 K). Etter avgassing, fyll utvalget med nitrogen og overføre den til analyse-porten.
  2. Overføring elektronmikroskop
    1. Bruke TEM mikroskopet med 120 kV (for SBA-15) og 200 kV (for OMC materialet) akselererende spenninger å samle god kvalitet TEM bildene.
    2. For å forberede en monodisperse film av prøven, spre prøven (1 mg) i etanol (1 mL). Følg fremgangsmåten spredning i et microcentrifuge rør ved å plassere den i ultralydbad i 3 minutter.
    3. Plass to dråper spredning på et TEM kobber rutenett ved hjelp av brønnene. Overføre TEM rutenettet til TEM mikroskopet og starter TEM avbilding.
  3. Energi dispersiv X-ray spektroskopi
    1. Bruk en scanning elektron mikroskop utstyrt med en X-ray merker for å erverve en energi dispersiv X-ray spektrum av prøvene.
    2. Bruke en akselerasjon spenning på 15 kV å høste spekteret. Velg silisium som optimalisering element for SBA-15 og carbon for OMC prøven.
  4. Potentiometric titrering måling
    1. Bruke en automatisk burette for å utføre potentiometric titrering eksperimentet. Legge til titrant i små og kontrollert deler (ifølge titrering programvare og prosedyre). Angi den minste inkrement, minst 1 μL, ved en automatisk dosering intrument.
    2. Spre 0,1 g av eksemplet i 30 mL av en elektrolytt-løsning (vann løsning av 0.1 M NaCl). Bruke magnetisk rørestang og isotermiske betingelser (293 ± 0,1 K) under spredning prosedyren.
    3. Legge til 1-2 mL titrant (0.1 M NaOH løsning) suspensjon.
      Merk: Utfør tillegg i små dele (hver å være omtrent 0,05 mL). Den automatiske burette prosedyren skal gi minst et dusin eksperimentelle poeng i pH varierer fra 1 til 14.
    4. Beregne overflaten tettheten av tillegget Qs, ved hjelp av følgende formel.
      Equation 1(1)
      her
      Δn = endringen i H+/OH- saldo redusert per masse eksempler;
      Sinnsats = Brunauer-Emmett-Teller (innsats) arealet av porøse solid state;
      F = hvor Faraday.
  5. Kapillær stige metode for wettability-målinger
    1. For å avgjøre kontakt vinkelen inne i porene studerte prøvene, bruk metoden kapillær stige.
      Merk: Denne metoden er basert på måling av masse fremveksten av væske, som er gjennomtrengende porøse sengen, som funksjon av tiden. Den viktigste forutsetningen for denne metoden er basert på det faktum at gjennomtrengende væske er fremme i kolonnen porøs og som denne kolonnen består av intergranular kapillærene med en viss gjennomsnittlig radius. Dermed er hver relasjon avledet for enkelt kapillær gyldig for laget av porøse pulver. I en enkelt loddrett kapillær flyter wetting væsken mot gravitasjonskrefter som et resultat av forskjellen press væske og damp i porene (kapillær trykk). Dette betyr kan gjennomtrengning av væske i porøse sengen fastsettelse av dynamisk fremmarsj kontakt vinkelen inne i porene.
    2. Bruke den endrede Washburn ligningen17,18, uttrykt som følger.
      Equation 2(2)
      her
      m = masse målt væsken;
      C = parameteren geometriske avhengig av distribusjon, form og størrelsen på porene;
      Ρ = tetthet;
      Den blel= overflatespenning;
      Η = viskositeten av gjennomtrengende væsken;
      Θ = kontakt vinkelen;
      t = tid.
    3. Bruker formelen (2), beregne verdiene for fremmarsj kontakt vinkler i studerte porene.
    4. Forberede kraft tensiometer. Pulver, bruke røret med en diameter på 3 og en keramisk sinter; bruke et fartøy med 22 mm diameter og et maksimalt volum på 10 mL væske.
    5. Måle 0.017 g av prøven.
    6. Start programmet koblet til tensiometer. Sett et fartøy med væske på en motorisert scene og suspendere glassrør med prøven på en elektronisk balanse.
    7. Start motoren og start nærmer væske i skipet med prøven på en lav konstant rate på 10 mm/min; Angi nedsenking dybden for eksempel røret til den flytende lik 1 mm.
    8. Fra dette øyeblikk, avhengighet m2 = f(t) registre i programmet.
    9. Stoppe eksperimentet når avhengighet m2 = f(t) begynner å vise karakteristiske platået.
    10. Sjekk for nøyaktighet ved å gjenta denne prosedyren 3 x - 5 x.
  6. Dielektrisk avslapning spektroskopi
    1. For å beskrive den smeltende virkemåten til lukkede vann inne de studert porøse matriser, utføre temperaturmålinger av elektrisk kapasitans C på utvalget i en parallell plate kondensator laget av rustfritt stål19, 20 , 21. for å måle kapasitans C som funksjon av temperatur og hyppigheten av syklisk elektriske feltet utlignet, bruke en impedans analyzer.
      Merk: Den komplekse elektrisk permittivity er definert som ε * = ε "+ iε'', hvor ε" = C/C0 er fast og ε'' = vsδ·ε' er en imaginær del av permittivity, der C0 er kapasitans av kondensator og vsses er dielektrisk tap.
    2. Målt prøven inn platen kondensatoren.
    3. Velg et frekvensområde fra 100 Hz 1 MHz og temperaturer fra 140 K til 305 K. kontroll frekvensen av temperatur endre med temperatur kontrolleren; Angi temperatur hastigheten som lik 0,8 K/min under kjøling og 0,6 K/min under varme-prosessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Betegner den porøse strukturen undersøkte prøvene OMC og SBA-15, N2 adsorpsjon-desorpsjon ble isotherms registrert på 77 K. De eksperimentelle N2 gass adsorpsjon-desorpsjon isotherms karakteriserer undersøkte systemene, samt pore størrelse distribusjoner (PSD) fra adsorpsjon og desorpsjon dataene, presenteres i figur 1A-D. Plasseringen av Bøyning poeng på såkalt isotherms (figur 1A, C) angir presset som den mesopore fylle starter. Denne informasjonen er nødvendig for beregning av gjennomsnittlig porestørrelse og PSD (figur 1B, D), ifølge Kelvin ligningen.

Figur 2A -C presenterer TEM bilder av OMC. Figur 2D E presenterer TEM bilder av SBA-15 prøven. Innhentet TEM micrographs ble brukt for evaluering kvaliteten av syntetisk materiale og bekrefter den todimensjonal Sekskantet strukturen. En tolkning av TEM bildene kan en vurdering av pore størrelsene og sammenligne verdiene med data innhentet fra absorpsjon målinger (figur 1).

Figur 3 viser overflaten kostnad tetthet fordelingen for karbon og silica materiale. Egenskapene til overflater og grensesnitt støtter og solid matriser har avgjørende betydning på egenskapene til undersøkte materialer og mekanisk-prosessene og fenomener på overflaten deres eller i sin nærhet. En eksperimentell undersøkelse av overflaten egenskapene som overflaten kostnad tettheter, synes å være hensiktsmessig og verdifulle for å undersøke hvordan overflateegenskaper (tilstedeværelse og typer funksjonelle grupper) påvirke den undersøkte kjemiske og fysiske fenomener. Spesielt overflate egenskaper knyttet til overflatekjemi av karbon avhenger av overflaten tillegget definert av heteroatoms (som oksygen eller nitrogen) og påvirke den wettability, adsorptive egenskaper, elektrokjemiske og katalytisk funksjoner, og til slutt, syre-base og hydrofile-hydrofobe atferd. En analyse av punkt-av-null kostnad posisjonen på pH-skalaen gir informasjon om systemets Surhet; lavere pHpzc -verdi, de mer Sure prøven er.

Figur 4A B viser typisk TEM-energi dispersiv X-ray spektroskopi (EDS) spectra OMC eksempel illustrerer samspillet av hendelsen elektronstråle med utvalget, genererer det x-utstråler med energier karakteristisk for atomnummer elementer. TEM-EDS er et kraftig verktøy for fastsettelse av den kjemiske sammensetningen. Figur 4C viser EDS resultatene for SBA-15 materiale. Verdien av energien i karakteristisk stråling fra prøven lar en identifikasjon av elementene i studerte prøven, intensiteten (høyde av toppene i spekteret) kan en kvalitativ analyse av innholdet ( Figur 4C).

Figur 5 viser resultatene av målinger av kontakt vinkler i nanopores OMC (figur 5A) og SBA-15 (figur 5B), refererte til wettabilities på glatt svært orientert pyrolytiske grafitt (HOPG) og glass underlag, henholdsvis. En ideell glatt silica overflaten glass og HOPG grafitt som en glatt grafitt overflate ble brukt. Målt kontakt vinkler vises som en funksjon av mikroskopiske wetting parameteren αw for både den glatte ut silika, grafitt overflaten og grov nanoporous materialer. Verdiene av αw for væsker på disse silika og grafitt underlag (figur 5A, B) kan finnes basert på følgende ligning.

Equation 3(3)

her
Εfw, εff = energi dypet av Norge-Jones potensialet;
Σfw = kollisjon lengden av Norge-Jones potensialet;
Ρw = antall solid atomer per volum;
Δ = avstanden mellom skiller lagene i underlaget.

Disse verdiene hentes fra tidligere publisert litteratur22,23,24. Måling av wettability kan karakterisering av adsorbate/adsorbent interaksjoner. Potentiometric titrering og EDX analyse gir måling av wettability en fullstendig beskrivelse av overflaten egenskapene til et gitt utvalg. Jo lavere kontakten vinkel, jo høyere wettability, som betyr at samspillet av gjennomtrengende flytende molekyl med studerte overflaten er sterkere (figur 5A, B).

Figur 6 viser grovheten fraksjoner f beregnet fra the Cassie-Baxter modell25 vs mikroskopiske wetting parameteren for nanoporous karbon (OMC; Figur 6A) og silica (SBA-15; Figur 6B) matrise. Vi antar at fukting på grov overflater oppstår etter Cassie-Baxter mekanismen (dvs. slippverktøyet av væske ikke trenge hulrom, men er på uregelmessigheter [som vist i senkninger av figur 5A, B ]). I denne modellen, er kontakt vinkelen på grov overflate θp beskrevet som:

cosθp = f(1 + cosθ) - 1 (4)

her
Θ = kontakt vinkel verdien på en glatt nonporous substrat (glass);
f = er en brøkdel av den porøse overflaten som er i direkte kontakt med væske-grensesnittet.

Det er verdt å vurdere grovheten fraksjoner f (ligningen 4) som fungerer som en korrigeringsfaktoren for å tolke kontakt vinkel mål for flytende molekyler med eksempel overflaten i porene.

Figur 7 presenterer dielektrisk spektroskopi resultatene for deuterated vann i studerte prøvene OMC (figur 7A) og SBA-15 (figur 7B). Dette illustrerer temperatur avhengigheter elektrisk kapasitet C for begge prøver (figur 7A, B). I fast av polar stoffet, deres orientational polarisering forsvinner og dielektrisk konstant ε er lik n2, der n er brytningsindeks av stoffet. Den kraftige økningen i C-T kurvene angir smeltende fase overgangene oppstår i systemet. Temperaturen på uregelrett økningen av C-T-funksjonen tillater fastsetting av melting point av både bulk væsken og Smeltepunkt i porene i studerte prøven.

Figure 1
Figur 1: Eksperimentell N2 adsorpsjon/desorpsjon isoterme tomten på 77 K og porøsitet distribusjoner av Barrett, Joyner og Halenda metoden (likevel)7,26,27. (A og B) nanoporous karbon materiale og (C og D) silica SBA-15 materiale. Nitrogen isotherms Vis karakteristiske hysteresis looper, gir informasjon om figuren og pore størrelse distribusjoner av studerte porene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: TEM bilder illustrerer bestilte nanoporous kanaler strukturen. (A - C) TEM bilder av nanoporous karbon (001) retning ved ulike forstørrelser. (D - E) strukturen av SBA-15. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Potentiometric titrering resultatene for OMC og SBA-15 (pH avhengighet av overflaten kostnad tetthet). Overflaten kostnad tetthet avhengigheten av pH viser forskjeller i elektrokjemiske karakter av både materialer; pzc punktet gir informasjon om antall syre områder på prøven overflaten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: eksempler på TEM - EDS spectra og EDS analyse. (A og B) EDS spectra for OMC prøven, innspilt fra to annerledes arealer merket på TEM bildet. (C) EDS spectra og kvantitativ analyseresultatet av SBA-15 prøven. Kvantitative resultater EDS analysert gi informasjon om tilstedeværelsen av elementer i de funksjonelle gruppene som er ansvarlig for den overflaten reaktivitet; Dette er en teknikk som er komplementære til potentiometric Serine. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Kontakt vinkler g. parameteren mikroskopiske wetting målt innenfor de porøse matriser. (A) nanoporous karbon (OMC) og (B) silika (SBA-15) matrise, referert til som den kontakt vinkler g. funksjonen mikroskopiske wetting parameteren på glatt HOPG og glass underlag, henholdsvis. Wettability inne i porene refererer til wettability på flatt underlag og gir litt informasjon om påvirkning av pore grovheten på adsorbate/adsorbent interaksjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Grovheten fraksjoner f beregnet fra den Cassie-Baxter modellen vs parameteren mikroskopiske wetting. For (A) nanoporous karbon (OMC) og (B) silika (SBA-15) matrise. Bruk av Cassie-Baxter modellen wettability lar tolkningen av kontakt vinkler på grov porøse overflater. F fraksjoner beregnet fra denne modellen beskriver prosentandelen av bidrag av porøse veggen som er i direkte kontakt med flytende overflaten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: Temperatur avhengigheter av elektrisk kapasitans D2O vann begrenset inne OMC og SBA-15 porøse matrix. OMC (A) og (B) SBA-15 porøse matrix. Tolkningen av C-T-funksjonen tillater identifikasjon av temperaturen i fase overgangen D2O i porene og i bulk oppstår i studerte systemet. En økning i C-T-funksjonen føre til økning i Smeltepunkt både bulk vann og begrenset vann inne i porene. Verdien av den Smeltepunkt skifte i porene i forhold til meste er avhengig av vert/gjest molekylære interaksjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Eksempel Areal (Sinnsats)en  Pore volum Porestørrelse distribusjon
(m2/g) (cm3/g) (nm)
Stotale Smicb Vtotalec Vmicb Dhd Dmo (NLDFT)e Dmo(likevel)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

Tabell 1: verdiene for tekstur parametere beskrive en porøs struktur av bestilte nanoporous karbon og SBA-15 silica beregnet fra N 2 absorpsjon isotherms. en BET areal beregnet med eksperimentelle poeng på relative presset av (P/P0) 0.035 - 0.31, der P og P0 er merket som likevekt og metning trykket av nitrogen. b Arealet og pore volum av micropores beregnet av metoden t-plott med en montert statistiske tykkelse i området fra 3.56 til 4.86 Å. ctotale pore volumet beregnes av 0,0015468 x antall nitrogen adsorbert P/P0 = 0,99. d Hydraulisk pore diameter beregnet fra bud overflaten områder og pore volumer i henhold til formelen: Dh = 4V/S. e Pore diameter beregnet fra PSD maksimal nonlocal tetthet funksjonelle teorien (NLDFT). NLDFT beregningene ble utført med et ikke-negativt regularization av 0,001 og sylindriske geometrien i porene som modell av karbon porøsitet. f Pore diameter beregnet fra metoden likevel (samme resultatene for adsorpsjon og desorpsjon). * Manglende verdier av pore diameter av SBA-15 beregnet fra metoden NLDFT. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritisk trinnene under utarbeidelsen av bestilte mesoporous karbon materialet inkluderer utarbeidelse av bestilte mesoporous silica materialer som malen med veldefinerte strukturelle egenskaper som påvirker egenskapene til de endelige materialene og tempering/karbonisering trinn under en nitrogen atmosfære. Endring av den typiske metoden for mesoporous bestilt silikaen med sylindriske porene28 bekymringer anvendelsen av en utypiske struktur-regi agent som er PE10500 polymer, for bedring av strukturelle egenskaper av materialet. Den tredimensjonale, sammenhengende og stabil porøse strukturen av malen er nødvendig for utarbeidelsen av mesoporous karbon. Videre er en viktig ulempe av preparatet grunnleggende kravet til prøve behandling for fjerningen av malen. Egenskaper for kjemikalier som brukes i dette trinnet kan påvirke carbon overflaten og funksjonalitet. Ifølge den presenterte strategien, er utarbeidelse av negative replikering av OMC basert på malen bestilte mesoporous solid. Pore size kontroll- og symmetrisk bestilling bestemmes bare ved hjelp av malen silica og er ikke assosiert med samspillet mellom karbon forløperen og malen. Potensialet i OMC for forskjellige elektrokjemiske systemer er angitt i litteratur29,30. Impregnering mekanismen i dette arbeidet er ansvarlig for lettvinte prosessen å nøyaktig gjenskape negative strukturen av malen silica. Hva slags vanskelig mal prosedyren sikrer at pyrolyse fenomener skade mindre vanlig og bestilte strukturen. Denne metoden kan videre en enklere graphitization OMC materiale dannet i solid malen.

Den eksperimentelle N2 adsorpsjon/desorpsjon isoterme (figur 1A, C) ble brukt vil ha foreløpig informasjon om typen og størrelsen av porøsitet. Nanoporous karakter materialet ble klart bekreftet. En liten økning i mengden av nitrogen adsorbert i den innledende fasen av prosessen (i størrelsesorden relativt trykk under 0,03) og dens betydelig økning i ytterligere rekke relative presset (særlig i området av mesopores) angir den eksistensen av et betydelig antall mesopores og mangel eller liten flere, micropores. Adsorpsjon-desorpsjon isotherms innhentet for dette materialet er typisk for type-IV (IUPAC klassifisering31), som er en riktig refleksjon av karbon mesoporous kanalsystem med en skarp kapillær kondens scenen på middels forhold Trykk (0,45 - 0.9 P/P0). Plasseringen av kapillær kondens trinn tilsvarer primære størrelsen på mesopores (ca 4-5 nm). Undersøkte karbon utvalget har også en høy bestemt areal (757 m2·g-1) og en betydelig pore volum (0.87 cm3·g-1).

Kritisk trinnene under nitrogen adsorpsjon/desorpsjon mål er veldig presis masse eksempel besluttsomhet trinn og tilstrekkelig degas trinn. Måling prosedyren ble utført i henhold til aktuelle retningslinjer. Til tross for at fastsetting av arealet og den porestørrelse distribusjonen er basert på målene som physisorption, er tolkning av eksperimentelle isotherms ikke alltid direkte.

Under beregning av mesopores' størrelsesDistribusjon, ved endrede Kelvin ligningen (som er grunnlaget for teorien), er det nødvendig å godta forutsetning av stive porene av veldefinerte figur. Videre gyldigheten av Kelvin ligningen og tolkning av hysteresis løkker på isotherms forbli uløste problemer. Muligheten for tilrettelegging er relatert til anvendelsen av empiriske metoder isotherm analyse (f.eks,αs-metoden29,30,31,32, 33,34). Men krever denne måten bruk av adsorpsjon innhentet med nonporous referansemateriale.

Figur 1B D presenterer mesopores' størrelse distribusjoner av studerte prøver (PSD). Forutsetningen om teorien om likevel tillatt fastsettelse av mesopores' størrelsesDistribusjon. PSD kurven i figur 1B antyder at karbon utvalget inneholdt mesopores av størrelsene på 3,5-4 nm, mens SBA-15 hadde porene med en diameter på ca 5 nm (se figur 1 d). Interessant, for OMC prøven, maxima av pore størrelse distribusjon kurver beregnet fra adsorpsjon og desorpsjon data er svært like. Som nøyaktig avtale mellom resultater, i lys av ulike mekanismer av adsorpsjon og desorpsjon fenomener, bevis for en svært organisert og uniform natur materialet. Tekstur egenskapene bestemmes fra experimental isotherms oppsummeres i tabell 1.

Egenskaper for pore nettverkets struktur basert på de fysiske adsorpsjon/desorpsjon analysene er grunnleggende karakterisering av nanopowders og nanomaterialer. Nitrogen adsorpsjon/desorpsjon metoder kan betraktes som det første trinnet i karakterisering av mikroporøs og mesoporous faste stoffer. Metoden er generelt gjelder for prøver av alle klasser av porøse organer eller materialer og gir en vurdering av porøse strukturer basert på form av isotherms og hysteresis looper direkte fra experimental målingen. Nitrogen adsorpsjon/desorpsjon ved siden av de andre metodene porøs struktur besluttsomhet (flytende inntrenging35 og lys, røntgen og neutron spredning36,37 og mikroskopi32) er den viktigste og nyttig teknikk på grunn av bred anvendelse og gjensidig sammenlignbarhet av resultatene.

Nitrogen er en standard adsorptive gass molekylet for pore karakterisering av gass adsorpsjon metoden. Det er mulig å bruke andre typer molekyler (karbondioksid, krypton, argon) for å få ny informasjon om utvalget og karakterisering av mikroporøs materialer.

TEM micrographs undersøkte OMC og SBA-15 prøver presenteres i figur 2. De bekreftet en svært organisert system av mesopores, som består av parallelle og ligner porøse kanaler og en karbon stav-formet struktur med pore størrelse ~ 11 nm (figur 2A-C). TEM micrographs av OMC bekreftet en Sekskantet symmetri av porene som følge av den omvendte kopi av første nanoporous silica forløperen og pore diameter mellom stenger av 4.0 nm. SBA-15 prøven viser todimensjonal bestilte Sekskantet strukturen til mesopores; godt organisert strukturen av SBA-15 er observert i begge anslag, sammen med nanoporous kanaler og vinkelrett dem (figur 2D, E). Disse observasjonene er god avtale med verdiene fra experimental nitrogen absorpsjon data (se tabell 1). Overføring elektronmikroskop er kjøpedyktig skaffe bilder med høyere oppløsning enn * lys på grunn av mindre de Broglie Bølgelengden av elektroner. Dette gjør det mulig for oss å fange detaljene tusenvis av ganger mindre enn et løses objekt i en * lys. I denne metoden kommer bildet fra samspillet av elektroner med prøven når strålen overføres gjennom prøven. Derfor er en av begrensningene av metoden at prøven er en supertynn film på mindre enn 100 nm tykk eller en suspensjon på et rutenett. TEM kan bli forbedret av skanning transmission elektron mikroskop (STEM). Det bør være mulig ved et tillegg på et system som er kombinert med passende detektorer, som vil raster strålen over utvalget til bildet.

PH i punkt-av-zero ansvaret for OMC (dvs., pH-verdi som totalt overflaten av karbon partikler er positivt ladet) ble funnet for å være over pH = 10 (Figur 3). Til sammenligning tilsvarer pH i punkt-av-zero tillegget av SBA-15 materialet ca 4.5. Potentiometric titrering resultatene av SBA-15 materiale viser et skifte av pHpzc mot lavere pH-verdier, bevis for eksistensen av noen syre sentre på SBA-15 overflaten. De negativt ladde nettstedene øke Van der Waals samspillet mellom adsorbent/adsorbate molekylene i SBA-15 matrix, forbedre adsorptive egenskaper av silika matrix.

Kritisk trinnene under potentiometric titrering måling er veldig presis tillegg av titrant til suspensjon og kontinuitet røring. Potentiometric titrering prosedyren ble fullt automatisert for å sikre de mest pålitelige resultatene. En annen viktig og enestående skritt var anvendelsen av spesiell programvare for å kontrollere eksperimentelle forhold og beregninger. Begrensning av denne metoden er kalibrering skritt pH elektroden og behovet for å sikre en stabil atmosfære (for eksempel nitrogen) og temperaturen. Potentiometric titrering kan kategoriseres som en syre/base-titrering prosedyre. Denne teknikken krever målinger av spenning endringen på titrant tillegg skritt. Det gir en tilpasses, rimelig og svært nøyaktige teknikk for å oppnå høy renhet, som er avgjørende i mange felt, spesielt i legemidler og funksjonelt materiale studier. Faktisk, er det flere typer potentiometric titrations. Det er for eksempel syre-base, redox, nedbør og complexometric teknikker. Som potentiometric titrations kan realiseres automatisk, sikrer det større kapasitet for eksempel karakterisering.

Pzc bestemmes som skjæringspunktet mellom elektrolytt titrering kurve og titrering kurve registrert for karbon materiale, samt skjæringspunktet mellom overflaten kostnad tetthet kurven med aksen. Resultatet antyder at undersøkt, bestilte nanoporous karbon materialet har grunnleggende egenskaper for tilstedeværelsen av oksygen funksjonelle grupper (-OH terminal grupper med ketonic, pyronic ring, chromenic og π-elektron systemer)38,39 ,40,41. Grunnleggende egenskaper for karbon overflaten kan være et resultat av termisk behandling som forårsaker progressiv ødeleggelse og fjerning av Sure oksygen funksjonelle grupper (for eksempel carboxyls, lactones og fenoler), og dermed beriker karbon overflaten i basic funksjonelle grupper42. Disse grunnleggende er en konsekvens av samtidige nedgangen i antall surt områder og en reduksjon av oksygeninnhold direkte tilknyttet surheten. Innholdet i oksygen ble bekreftet av TEM-UTGIFTSDISTRIBUSJONSARKET.

TEM-EDS spectra bilder av OMC overflaten fra to forskjellige områder av utvalget vises i figur 4A, B. Oksygen og silisium atomer fra OMC overflaten ble oppdaget tross dominerende mengden karbon. Den Atom og vekt prosentandel av elementene, presentert som insets og innhentet fra ulike områder av prøvene, ligner og indikerer ca 98% består av karbon og bare litt mer enn 1% av sammensetningen skyldes oksygen. EDS microanalysis kan foreslå at grunnleggende karakter OMC overflaten er forbundet med svært lavt antall oksygen inneholder funksjonelle grupper, som vanligvis har Sure funksjonalitet. Videre kan de grunnleggende funksjonelle gruppene være ansvarlig for dyrkingen av hydrophilicity av karbon. En EDS spekteret av silika matrise bekrefter viktigste bidrag av oksygen og silisium overflod i SBA-15 (figur 4C). EDX er en av teknikkene som bestemmer atomic sammensetningen av prøven. Det gir ikke kjemiske informasjon (f.eks, oksidasjonstallet, kjemisk obligasjoner) som en XPS-metode. For kvantitativ analyse er EDX ikke egnet for lette elementer (e.g.,like oksygen) siden det kan bare oppdage oksygeninnhold, men ikke quantitate den. Denne metoden fungerer bare på overflaten av tynne lag (noen få mikroner eller mindre) og er ganske følsom for forurensning i prøven.

I figur 5 A, B resultatene av kontakt vinkel mål for flere væsker på silisium og karbon underlag presenteres; Vi kan se at systemene avslører en rekke wettabilities. To av anvendt substrater er glatt og plan, nemlig silica og karbon overflater, mens andre viser grovheten og inneholder mesopores. Målt kontakt vinkler presenteres vsmikroskopiske wetting parameteren αw. Denne parameteren er forholdet mellom de flytende-pore veggen intermolekylære interaksjonene samspillet av to flytende molekyler22,23,24. Derfor måler det egenskapene wetting nano - og macroscales. Parameteren αw er vist å være en monotoniske funksjon av kontakt vinkelen. Ifølge målinger, verdiene i kontakt vinkler overflater med roughnessare høyere enn for jevn ut flater, uansett hvilken studerte væsker, inkludert nonwetting andwell-wetting væsker.

Disse resultatene tyder Cassie-Baxter mekanismen av wettability på nanorough overflater porøse vegger. Videre kontakt vinkler måles for flere væske inne silica og karbon nanopores angi bedre wettability av silika veggene enn karbon veggene, og påvirkning av pore grovheten på væske/vegg interaksjoner er mer uttalt for silica enn for karbon nanopores. Kapillær stige metoden brukes til å bestemme kontakt vinkler og wettability av små partikler i pulver. For en flat solid underlaget, kan mange teknikker, for eksempel fastsittende slipp og Wilhelmy plate-metoden brukes for å kontakte vinkel målinger. Bruk av kapillær stige metoden forutsetter tilfredsstillelse av fire betingelsene under prosessen (dvs., Washburn er ligningen er avledet basert på disse fire forutsetninger): (1) en konstant laminær strømning, (2) fravær av et ytre press, (3) ubetydelig gravitasjonskraften, og (4) væsken i faste-flytende stoffer grensesnittet ikke flytte. Hydrostatisk trykk er mye mindre enn kapillær trykket; Derfor fører kapillær trykket væske å stige oppover langs røret. Wettability studiene i små partikler bør alltid ta hensyn til nøyaktighet og reproduserbarhet resultatene.

Tomeasure nøyaktig kontakt vinkelen små partikler, press intervaller og hydrostatisk effekten bør tas i betraktning i Washburn er ligningen mer nøyaktig beskrive forholdet mellom trykket tilvekst og tid.

I figur 6A, B, presenterer vi brøkdel f (som beskriver delen av en porøs overflate som er i direkte kontakt med væske-grensesnittet), definert som f = (1 + cosθp) / (1 + cosθ). Det tar verdier fra utvalget av 0.73 (H2O) til 0,92 (OMCTS) for silica matrisen og rekke 0,82 (H2O) til 0.93 (OMCTS) for karbon matrisen. Dessuten øker brøkdel f monotonically med økende αw parameteren, som bekrefter Cassie-Baxter modell av wetting på ulendt underlag.

Disse resultatene, diskutert innenfor rammen av Cassie-Baxter modellen, viser at for nanosurfaces, påvirkning av microroughness betydelig påvirker endringer i væske-vegg interaksjon.

Undersøke påvirkning av karakter av porøse overflater på confinement effekter av D2O i SBA-15 og OMC matriser sammenlignbare pore størrelse 5 nm, dielektrisk metoden ble brukt. Resultatene av elektrisk kapasitet vann plassert i OMC og SBA-15 på oppvarming, som presenteres i figur 7A og 7B figur, henholdsvis indikerer at temperaturen avhengigheten av kapasitans C viser en skarp økning på T = 260 K, tilsvarer smelting av adsorbert D2O inne i porene av SBA-15, og på T = 246.1 K, som refererer til smelting av vann adsorbert inne i porene av OMC. For begge systemer, vi ser en økning i funksjonen C(T) på T = 276.5 K, som kalles Smeltepunkt av bulk deuterated vannet. De observerte signalene er knyttet til både bulk og trange væsken fordi prøvene er studerte som suspensjon i fylt porøse matriser med flytende er i overkant. Forhold som for meste, Smeltetemperaturen for D2O i SBA-15 porene blir deprimert av ΔT = Tm, pore− Tm, bulk = 16,5 K, mens for OMC, ΔT =-30.4 K.

Disse resultatene kommer fra ulike strukturer av pore veggen. Smeltende temperaturen i porene Tm, pore er avhengig av to variabler, nemlig porestørrelse H og parameteren wettability î±w. For mindre αw verdier (αw < 1), depresjonen i Tm, pore forventes. Hvis pore bredden H er det samme, påvirker endringen i αw verdien av endringen i Tm, pore. Resultatene av wettability i porene viser at αw verdien i begge systemene studerte reduseres på grunn av ruhet effektene i forhold til de av den glatte overflaten. Arbeidet med midt wettability i porene We = γlcosθp er mye mindre for D2O i OMC (We = 4,2432 [mN/m]) enn i SBA-15 (We = 20,968 [mN/m]), som fører til en høy depresjon av Smeltepunkt i dette systemet, i forhold til D2O i SBA-15 systemet.

Innhentet resultatene indikerer en forbedring vedheft effekter på porøse silica veggen, i forhold til de på karbon veggen. Denne metoden har noen begrensninger når studerte prøvene. En av dem kommer fra det faktum at oppføringen av funksjonen C(T) inneholder signalet fra både bulk væsken og væske i porene. Derfor signalet fra trange upolart væsken er svak, og det er vanskelig å fastslå Smeltetemperaturen. I fremtiden, er det verdt kombinerer noen flere metoder med seg. (f.eks, differensial skanning calorimetry på en treg oppvarming sats eller sentrifugering prøven for å få konsentrert utvalg uten væske). Videre for de ledende prøvene er det behov for å bruke en polytetrafluoroethylene plate. En fordel med dielektrisk spektroskopi metoden er det faktum at metoden er brukt mye, i mange områder av forskning, som glass overganger og tidsskala molekylære bevegelser, der hvor tid er i titalls femtoseconds til nanosekunder. Derfor er det viktig å gi frekvenser mellom megahertz terahertz. I tilfeller som nedbryting av til innhentet spectra eller tolkning og kvantitativ analyse av resultatene ligner teknikken mer vanlig spectroscopies. Men undersøker metoden dielektrisk kollektive svingninger molekyler med et permanent dipol øyeblikk (polar væske). For eksempel gir infrarødspektroskopi utfyllende tilleggsinformasjon, men følsomheten i retning av kollektive modi kan hindre tolkningen av dielektrisk spectra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å takke National Center of Science for å gi økonomisk støtte med stipend ingen. DEC-2013/09/B/ST4/03711 og UMO-2016/22/ST4/00092. Forfatterne er også takknemlig for delvis støtte fra Polen operative programmet Menneskelig kapital PO KL 4.1.1, samt fra nasjonale senter for forskning og utvikling, under forskning gir ingen. PBS1/A9/13/2012. Forfatterne er spesielt takknemlig for Prof L. Hołysz fra Interfacial fenomener divisjon, Fakultet for kjemi, Maria Curie-Sklodowska University, Lublin, Polen, for meg og aktivere målinger av wettability i den SBA-15 nanopores.

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

Kjemi problemet 145 Nanoporous karbonatomer Cassie-Baxter modell wettability endret Washburn ligningen mikroskopiske wetting parameteren nitrogen adsorpsjon/desorpsjon isotherms potentiometric titrering Surhet
Overflateegenskaper av syntetisk Nanoporous karbon og Silica matriser
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