خصائص سطح المركبة نانوبوروس الكربون ومصفوفات السليكا
Summary
هنا نحن التقرير التوليفي وتوصيف الكربون نانوبوروس مرتبة (مع حجم مسام 4.6 nm) والترتيبات الاحتياطية-15 (مع حجم مسام 5.3 nm). ويصف العمل السطح والخصائص التكوينية لثقب سيتا الجزيئية نانوبوروس وعلى ويتابيليتي وذوبان سلوك د2س محصورة في المواد.
Abstract
في هذا العمل، نحن التقرير التوليفي وتوصيف لأمر نانوبوروس المواد الكربونية (وتسمى أيضا المواد الكربونية ميسوبوروس أمرت [أمك]) مع حجم المسام شمال البحر الأبيض المتوسط 4.6، ومصفوفة والسليكا أمرت المليئة بالثغرات، والترتيبات الاحتياطية-15، مع حجم مسام شمال البحر الأبيض المتوسط 5.3. هذا العمل ويصف الخصائص السطحية لثقب سيتا نانوبوروس الجزيئية، على ويتابيليتي، وذوبان سلوك د2س محصورة في المواد المسامية مرتبة بطريقة مختلفة مع أحجام المسام مماثلة. لهذا الغرض، جران وسباعي-15 مع مرتبة عالية نانوبوروس هياكل توليفها عبر التلقيح من المصفوفة السليكا بتطبيق سلائف الكربون والأسلوب هلام سول، على التوالي. بنية مسامية نظم التحقيق يتميز بتحليل الامتزاز بالامتزاز2 ن في ك 77. لتحديد حرف الكهروكيميائية لسطح المواد المركبة، تجري قياسات فرق الجهد المعايرة؛ ويبين النتائج التي تم الحصول عليها للمتفاوضين تحولاًبزك الأس الهيدروجيني كبيرة تجاه قيم أعلى من درجة الحموضة، بالنسبة للترتيبات الاحتياطية-15. وهذا يوحي بأن أمك التحقيق لديها خصائص السطح المتعلقة بالمجموعات الوظيفية المستندة إلى الأوكسجين. لوصف الخصائص السطحية للمواد، مصممون أيضا زوايا اتصال السوائل اختراق الأسرة يسهل اختراقها بدرس. وأكد الأسلوب ارتفاع الشعرية ويتابيليتي زيادة الجدران السليكا بالنسبة إلى الجدران الكربون وتأثير خشونة مسام على التفاعلات السائل/الجدار، الذي هو أكثر وضوحاً بالنسبة السيليكا من أجل ميسوبوريس الكربون. وقد درسنا أيضا سلوك ذوبان د2س محصورة في جران وسباعي-15 بتطبيق الأسلوب عازل. تظهر النتائج أن الاكتئاب لدرجة حرارة ذوبان د2س في مسام جران هو حوالي 15 ك أعلى بالنسبة للاكتئاب في درجة حرارة ذوبان في الترتيبات الاحتياطية-15 المسام مع حجم نانومتر 5 قابلة لمقارنة. يحدث هذا بسبب تأثير التفاعلات أدسورباتي/الممتزة من المصفوفات التي شملتها الدراسة.
Introduction
في عام 1992، نانوبوروس أمر السليكا تم الحصول على المواد للمرة الأولى، باستخدام أحد قوالب عضوية؛ ومنذ ذلك الحين، عدد كبير من المنشورات المتعلقة بالجوانب المختلفة لهذه الهياكل، وطرق اصطناعية، التحقيق في ممتلكاتهم، على التعديلات، وقد ظهرت تطبيقات مختلفة في الأدب1،2 ،3. يرجع الاهتمام بالترتيبات الاحتياطية-15 والسليكا نانوبوروس مصفوفة4 نوعية فريدة من نوعها: مساحة سطحية عالية، واسعة المسام مع توزيع حجم مسام موحدة، والخواص الكيميائية والميكانيكية جيدة. نانوبوروس والسليكا مع المسام أسطواني، مثل الترتيبات الاحتياطية-155، غالباً ما تستخدم المواد كمصفوفة مسامية للمواد الحفازة كما هي كفاءة المواد الحفازة في التفاعلات العضوية6،7. المواد التي يمكن توليفها مع طائفة واسعة من الأساليب التي يمكن أن تؤثر على خصائص8،،من910. ولذلك، من الأهمية بمكان لتحسين هذه الأساليب للتطبيقات المحتملة في العديد من المجالات: المخدرات الأجهزة الكهروكيميائية، تكنولوجيا النانو والبيولوجيا والطب، ومنظومات إيصالها، أو في الالتصاق وعلم احتكاك المفاصل. في هذه الدراسة، تعرض نوعين مختلفين من الهياكل نانوبوروس، إلا وهي السليكا والكربون المسامية مصفوفات. مقارنة خصائصها، المصفوفة سباعي-15 يتم تصنيعه باستخدام الأسلوب هلام سول، وهي مستعدة المواد الكربونية نانوبوروس أمرت بالاشباع المصفوفة السليكا الناتجة مع سليفة الكربون.
مواد الكربون المسامية ذات أهمية في العديد من الأجهزة بسبب تلك المساحة السطحية العالية وعلى الخصائص الفيزيائية الفريدة والمعالم6،11،12. إعداد نموذجي ينتج مواد مسامية موزعة عشوائياً وبنية اضطرابه؛ هناك أيضا إمكانية محدودة لتغيير المعلمات العامة المسامية، وهكذا، هياكل مع توزيع حجم المسام واسعة نسبيا ويتم الحصول على13. هذا الاحتمال هو توسيع لمواد الكربون نانوبوروس مع المناطق السطحية العالية وأمرت بأنظمة نانوبوريس. أكثر توقع الهندسة والمزيد من التحكم للعمليات الفيزيائية الكيميائية داخل مساحة المسام مهمان في العديد من التطبيقات: كعوامل حفازة، نظم الإعلام الانفصال، متقدمة المواد الإلكترونية، ونانوريكتورس في كثير من الميادين العلمية14 , 15.
للحصول على النسخ المتماثلة الكربون المسامية، سيليكات أمر يمكن أن تعمل كمصفوفة صلبة التي يتم عرض السلائف الكربون مباشرة. الأسلوب يمكن تقسيمها إلى عدة مراحل: اختيار مادة السليكا المطلوبة؛ ترسب السلائف الكربون في مصفوفة والسليكا؛ الكربنة؛ بعد ذلك، إزالة المصفوفة والسليكا. يمكن الحصول على العديد من أنواع مختلفة من مواد كربونية بهذا الأسلوب، ولكن ليس جميع المواد نونبوروس لها هيكل أمر. هو عنصرا هاما في العملية اختيار مصفوفة مناسبة نانوبوريس التي يجب أن تشكل هيكل مستقر، ثلاثية الأبعاد16.
في هذا العمل، ويجري التحقيق في تأثير نوع الجدران المسامية على الخصائص السطحية لمصفوفات نانوبوروس المركبة. الخصائص السطحية للمواد أمك ترد حسب الخصائص السطحية من السليكا التناظرية (سباعي-15) للمتفاوضين. الخصائص الهيكلية والتكوينية لكلا النوعين من المواد (جران وسباعي-15) تتميز بدرجات الحرارة المنخفضة ن2 قياسات الامتزاز/الامتزاز (على ك 77) ومجهر إلكتروني (TEM) (تحليل الأشعة السينية المشتتة الطاقة EDX).
قياس الامتزاز بالامتزاز/الغاز درجات الحرارة المنخفضة واحدة من التقنيات الأكثر أهمية خلال توصيف المواد المسامية. غاز النيتروجين أدسورباتي بسبب أن درجة نقاء عالية وإمكانية إنشاء تفاعل القوى مع الممتزات الصلبة. من المزايا الهامة لهذا الأسلوب هي معدات سهلة الاستعمال التجاري وإجراءات تجهيز البيانات سهلة نسبيا. تحديد النيتروجين بالامتزاز/الامتزاز إيسوثيرمس يستند إلى تراكم الجزيئات أدسورباتي على سطح الممتزة الصلبة في ك 77 في طائفة واسعة من الضغط (P/P0). يتم تطبيق الإجراء باريت، Joyner، وهاليندا (بجه) لحساب توزيع حجم المسام من إيسوثيرمس الامتزاز أو الامتزاز التجريبية. وتشمل الافتراضات الأكثر أهمية من الأسلوب بجه على سطح مستو وتوزيع حتى أدسورباتي على السطح التحقيق. ومع ذلك، تستند هذه النظرية في المعادلة كلفن ويبقى الطريقة الأكثر استعمالا لحساب توزيع حجم المسام في النطاق ميسوبوروس.
تقييم الطابع الكهروكيميائية للعينات، يتم تطبيق أسلوب معايرة فرق الجهد. كيمياء المواد السطحية يعتمد على المسؤول عن سطح تتصل بوجود heteroatoms أو المجموعات الوظيفية على السطح. خصائص السطح أيضا التحقيق بتحليل زاوية الاتصال. ويتابيليتي داخل المسام يوفر معلومات حول التفاعلات الممتزة أدسورباتي. هو دراسة تأثير خشونة الجدار على درجة حرارة ذوبان المياه المحصورة في كلا العينتين مع تقنية التحليل الطيفي (DRS) الاسترخاء عازل. قياسات الثابت عازل تسمح التحقيق من ذوبان الظواهر الاستقطابية للسائل ومراحل صلبة تختلف عن بعضها البعض. تغيير في منحدر الاعتماد على درجة الحرارة من السعة يظهر حدوث ذوبان في النظام.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشمل الخطوات الحاسمة خلال إعداد المواد الكربونية ميسوبوروس أمر إعداد مواد السيليكا ميسوبوروس أمرت كالقالب مع المعالم الخصائص الهيكلية التي تؤثر على خصائص المواد النهائية الخطوة تلطيف الكربنة في إطار جو من نيتروجين. تعديل للطريقة النموذجية لإعداد ميسوبوروس أمر سليكاتات مع شواغل<sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر “المركز الوطني للعلوم” لتقديم الدعم المالي مع منحة لا. ديسمبر–2013/09/ب/ST4/03711 ويشغل-2016/22/ST4/00092. الكتاب ممتنون أيضا لدعم جزئي من “البرنامج التشغيلي لبولندا رأس المال البشري بو كوالا لمبور” 4.1.1، كذلك اعتبارا من “المركز الوطني” للبحوث والتنمية، قيد البحث منح لا. PBS1/A9/13/2012. الكتاب ممتنون بصفة خاصة للأستاذ ل. Hołysz من شعبة الظواهر توتره، ماريا كوري-Skłodowska جامعة لوبلين، بولندا، كلية الكيمياء، لها اللطف وتمكين قياسات ويتابيليتي في نانوبوريس سباعي-15.
Materials
| 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 |
References
- Tao, Y., Kanoh, H., Abrams, L., Kaneko, K. Mesopore-Modified Zeolites: Preparation, Characterization, and Applications. Chemical Reviews. , 896-910 (2006).
- Wan, Y., Zhao, D. On the Controllable Soft-Templating Approach to Mesoporous Silicates. Chemical Reviews. 107, 2821-2860 (2007).
- 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).
- Zhao, D. D., et al. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores. Science. 279, 548-552 (1998).
- 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).
- Eftekhari, A., Fan, Z. Ordered mesoporous carbon and its applications for electrochemical energy storage and conversion. Materials Chemistry Frontiers. 1, 1001-1027 (2017).
- Sing, K. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids and Surfaces A. 241, 3-7 (2004).
- Huo, Q., Margolese, D. I. Generalized synthesis of periodic surfactant/inorganic composite materials. Nature. 368, 317-321 (1994).
- 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).
- 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).
- Liang, C., Li, Z., Dai, S. Mesoporous Carbon Materials: Synthesis and Modification. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3696-3717 (2008).
- Babić, B., et al. New mesoporous carbon materials synthesized by a templating procedure. Ceramics International. 39 (4), 4035-4043 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Washburn, E. W. The dynamics of capillary flow. Physical Review Series2. 17, 273 (1921).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chełkowski, A. . Dielectric Physics. , (1990).
- Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Global phase diagrams for freezing in porous media. Journal of Chemical Physics. 116, 1147-1155 (2002).
- Gubbins, K. E., Long, Y., Śliwińska-Bartkowiak, M. Thermodynamics of confined nano-phases. Journal of Chemical Thermodynamics. 74, 169-183 (2014).
- 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).
- Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Transactions of the Faraday Society. 40, 546 (1944).
- Sing, K. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76, 3-11 (1998).
- Sing, K. The use of nitrogen adsorption for the characterisation of porous materials. Colloids and Surfaces A. 187, 3-9 (2001).
- 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).
- 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).
- Choi, W. C., et al. Platinum Nanoclusters Studded in the Microporous Nanowalls of Ordered Mesoporous Carbon. Advanced Materials. 17, 446-451 (2005).
- Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. . Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Application. , (1999).
- Gregg, S. J., Sing, K. S. W. . Adsorption, Surface Area and Porosity. , (1982).
- Llewellyn, P. L., Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. S. W., Unger, K. K., Kreysa, G., Baselt, J. P. Critical appraisal of the use of nitrogen adsorption for the characterization of porous carbons. Characterization of Porous Solids V. , 421-427 (2000).
- Sing, K. S. W. The use of gas adsorption for the characterization of porous solids. Colloids and Surfaces. 38, 113-124 (1989).
- Rouquerol, J. Recommendations for the characterization of porous solids. Pure & Applied Chemistry. 66, 1739-1758 (1994).
- 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).
- 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).
- Mattson, J. S., Mark, H. B. . Activated Carbon: Surface Chemistry and Adsorption from Solution. , (1971).
- 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).
- 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).
- Boehm, H. P. Surface oxides on carbon and their analysis: A critical assessment. Carbon. 40, 145-149 (2002).
- 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).
