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Chemistry

Proprietà della superficie di sintetizzato nanoporosi carbonio e matrici di silice

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

Qui segnaliamo la sintesi e la caratterizzazione di carbonio nanoporosi ordinato (con un diametro dei pori nm 4,6) e SBA-15 (con un diametro dei pori nm 5,3). L'opera descrive la superficie e proprietà tessiturali dei setacci molecolari nanoporosi, loro bagnabilità ed il comportamento in fusione di D2O confinato nei materiali.

Abstract

In questo lavoro, segnaliamo la sintesi e la caratterizzazione di ordinato nanoporosi materiale di carbonio (chiamato anche materiale di carbonio mesoporosi ordinati [MCA]) con una dimensione dei pori nm 4,6 e matrice porosa di silice ordinato, SBA-15, con un diametro dei pori nm 5,3. Questo lavoro descrive le proprietà di superficie di setacci molecolari nanoporosi, loro bagnabilità, e il comportamento in fusione di D2O confinati nei materiali porosi diversamente ordinati con simili dimensioni dei pori. Per questo scopo, OMC e SBA-15 con altamente ordinati nanoporosi strutture sono sintetizzati tramite impregnazione della matrice di silice applicando un precursore di carbonio ed il metodo sol-gel, rispettivamente. La struttura porosa dei sistemi indagati è caratterizzata da un'analisi di adsorbimento-desorbimento N2 a 77 K. Per determinare il carattere elettrochimico della superficie dei materiali sintetizzati, titolazione potenziometrica misurazioni sono effettuate; i risultati ottenuti per OMC Mostra uno spostamento dipzc pH significativo verso i valori più elevati di pH, rispetto al SBA-15. Ciò suggerisce che indagate OMC ha superficie proprietà correlate a base di ossigeno gruppi funzionali. Per descrivere le proprietà della superficie dei materiali, gli angoli di contatto di liquidi penetranti i letti porosi studiati sono anche determinati. Il metodo di risalita capillare ha confermato la maggiore bagnabilità delle pareti silice rispetto le pareti di carbonio e un'influenza della rugosità dei pori sulle interazioni fluido/parete, che è molto più pronunciata per la silice rispetto per carbonio mesopori. Inoltre abbiamo studiato il comportamento in fusione di D2O confinato in MCA e SBA-15 applicando il metodo dielettrico. I risultati mostrano che la depressione della temperatura di fusione di D2O nei pori della OMC è superiore rispetto alla depressione della temperatura di fusione in SBA-15 circa 15K pori con dimensioni paragonabili 5 nm. Questo è causato dall'influenza delle interazioni di adsorbato/adsorbente delle matrici studiate.

Introduction

Nel 1992, materiali nanoporosi ordinato in silice sono stati ottenuti per la prima volta, utilizzando un modello di organico; da allora, un gran numero di pubblicazioni relative a diversi aspetti di queste strutture, metodi sintetici, lo studio delle loro proprietà, loro modifiche, e diverse applicazioni sono apparsi in letteratura1,2 ,3. L'interesse di SBA-15 nanoporosi silice matrice4 è a causa della loro qualità unica: un'elevata area superficiale, vasta i pori con una distribuzione delle dimensioni dei pori uniforme e le buone proprietà meccaniche e chimiche. Materiali di silice nanoporosi con pori cilindrici, ad esempio SBA-155, sono spesso utilizzati come una matrice porosa per catalizzatori come sono catalizzatori efficienti in reazioni organiche6,7. Il materiale può essere sintetizzato con una vasta gamma di metodi che possono influire sulla loro caratteristiche8,9,10. Pertanto, è fondamentale ottimizzare questi metodi per potenziali applicazioni in molti campi: dispositivi elettrochimici, nanotecnologie, biologia e medicina, drug delivery systems, o in adesione e tribologia. Nello studio presente, due diversi tipi di strutture nanoporose sono presentati, vale a dire silice e carbonio matrici porose. Per confrontare le loro proprietà, la matrice di SBA-15 è sintetizzata utilizzando il metodo sol-gel, e il materiale di carbonio nanoporosi ordinata viene preparato dall'impregnazione della matrice risultante di silice con un precursore di carbonio.

Materiali di carbonio poroso sono importanti in molti apparecchi a causa della loro elevata area superficiale e loro proprietà fisico-chimiche uniche e ben definito6,11,12. Preparazione tipica si traduce in materiali con porosità distribuiti in modo casuale e una struttura disordinata; C'è anche una possibilità limitata per il cambiamento dei parametri generali dei pori, e così, si ottengono13strutture con distribuzioni di dimensione del poro relativamente ampia. Questa possibilità è ampliata per materiali di carbonio nanoporosi con una superficie alta e ordinata sistemi di nanopori. Più predetto geometria e un maggiore controllo dei processi fisico-chimici all'interno dello spazio dei pori sono importanti in molte applicazioni: come catalizzatori, sistemi di separazione media, avanzati materiali elettronici e nanoreattori in molti campi scientifici14 , 15.

Per ottenere le repliche di carbonio poroso, i silicati ordinati possono agire come una matrice solida a cui i precursori di carbonio sono introdotti direttamente. Il metodo può essere suddiviso in diverse fasi: la selezione del materiale ordinato silice; la deposizione di un precursore di carbonio in una matrice di silice; carbonizzazione; quindi, la rimozione della matrice di silice. Molti tipi differenti di materiali carboniosi possono essere ottenuti da questo metodo, ma non tutti i materiali non porosi hanno una struttura ordinata. Un elemento importante del processo è la selezione di una matrice adatta cui nanopori devono formare una struttura tridimensionale stabile16.

In questo lavoro, l'influenza del tipo di poro pareti le proprietà di superficie delle matrici nanoporosi sintetizzato è studiata. Le proprietà della superficie del materiale OMC vengono riflesse dalle proprietà superficiali di silice analogica (SBA-15) dell'OMC. Proprietà tessiturale e strutturali di entrambi i tipi di materiali (OMC e SBA-15) sono caratterizzate da misure di adsorbimento/desorbimento di basso-temperatura N2 (a 77 K), microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ed energia dispersiva (analisi di raggi x EDX).

Misura di adsorbimento/desorbimento di bassa temperatura gas è una delle tecniche più importanti durante la caratterizzazione dei materiali porosi. Azoto gassoso è usato come un adsorbato a causa della sua elevata purezza e la possibilità di creare una forte interazione con adsorbenti solidi. Importanti vantaggi di questa tecnica sono l'attrezzatura commerciale facile da usare e relativamente facili procedure di elaborazione dei dati. La determinazione delle isoterme di adsorbimento/desorbimento di azoto si basa sull'accumulo di molecole di adsorbato sulla superficie del solido adsorbente a 77 K in una vasta gamma di pressione (P/P0). La procedura di Barrett, Joyner e Halenda (BJH) per calcolare la distribuzione delle dimensioni dei pori da isoterme di adsorbimento o desorbimento sperimentale viene applicata. Le ipotesi più importanti del metodo BJH comprendono una superficie planare e una distribuzione uniforme di adsorbato sulla superficie oggetto dell'inchiesta. Tuttavia, questa teoria è basata sull'equazione di Kelvin e rimane il modo più usato per calcolare la distribuzione delle dimensioni dei pori nella gamma mesoporosi.

Per valutare il carattere elettrochimico dei campioni, viene applicato un metodo di titolazione potenziometrica. La chimica di superficie del materiale dipende dalla carica superficiale legata alla presenza di eteroatomi o gruppi funzionali sulla superficie. Le proprietà della superficie sono anche studiate dall'analisi di angolo di contatto. La bagnabilità all'interno dei pori fornisce informazioni circa le interazioni di adsorbato-adsorbente. L'influenza della rugosità parete sulla temperatura di fusione dell'acqua confinata in entrambi gli esempi è studiata con la tecnica di spettroscopia (DRS) rilassamento dielettrico. La misura della costante dielettrica permette l'indagine sui fenomeni di fusione come la polarizzabilità del liquido e fasi solide sono diversi gli uni dagli altri. Un cambiamento nella pendenza della dipendenza dalla temperatura della capacità Mostra che di fusione si verifica nel sistema.

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Protocol

1. preparazione dei materiali OMC

  1. Sintesi di una matrice di silice come precursore OMC
    1. Preparare 360 mL di 1,6 M HCl aggiungendo 50 mL di HCl (36-38%) in un pallone da 500 mL e, quindi, l'aggiunta di 310 mL di acqua ultrapura (resistività di MΩ·cm 18,2).
    2. A ciò, aggiungere 10 g di PE 10500 polimero (6.500 g/mol).
    3. Mettere il pallone in un bagno ad ultrasuoni. Riscaldare la soluzione a 35 ° C e mescolare fino a quando il polimero solido è completamente sciolto, fare un impasto omogeneo.
    4. Aggiungere 10 g di 1, 3,5-trimetilbenzene al pallone e mescolare il contenuto (a una velocità di agitazione di 220 giri/min) di mantenerlo a 35 ° C nel bagno d'acqua.
    5. Dopo agitazione per 30 min, aggiungere 34 g di ortosilicato (TEOS) al pallone. Aggiungere il TEOS lentamente e goccia a goccia con agitazione costante. Assicurarsi che ci vogliono 10 minuti per aggiungere 34 g di TEOS.
    6. Mescolare la miscela di soluzione ancora per 20 h alla stessa temperatura (35 ° C).
    7. Trasferire il contenuto del pallone in una cartuccia di politetrafluoroetilene e metterlo in autoclave. Lasciare agire la soluzione per 24 h a 90 ° C.
    8. Filtrare il precipitato risultante, utilizzando un imbuto Büchner e lavarlo con acqua distillata, utilizzando almeno 1 L.
    9. Asciugare il solido ottenuto a temperatura ambiente e applicare un trattamento termico al campione a 500 ° C, con un forno a muffola in atmosfera aria per 6 h.
  2. Impregnazione della matrice risultante di silice, utilizzando un precursore di carbonio
    1. Preparare soluzioni di impregnazione (IS1 e IS2) con proporzioni adeguate di acqua, acido solforico 3M (VI) e lo zucchero (glucosio), dove glucosio svolge il ruolo di precursore di carbonio e acido solforico agisce come catalizzatore.
      Attenzione: L'acido solforico è molto tossico, provoca gravi ustioni cutanee e gravi lesioni oculari.
      1. Preparare IS1. Per ogni grammo di silice, mescolare 5 g di acqua, 0,14 g di acido solforico 3M (VI) e 1,25 g di zucchero.
      2. Preparare IS2. Per ogni grammo di silice, mescolare 5 g di acqua, 0,08 g di acido solforico 3M (VI) e 0,75 g di zucchero.
    2. Posizionare il materiale di silice (1 g) e la soluzione preparata IS1 il precursore di carbonio e il catalizzatore in un matraccio da 500 mL. Riscaldare la miscela in un essiccatoio sottovuoto a 100 ° C per 6 h.
      Nota: In questo passaggio, utilizzare solo IS1. IS2 deve essere applicato nel passaggio successivo.
    3. Aggiungere il IS2 la miscela nel vuoto asciugatrice (per la soluzione con il precursore di carbonio parzialmente carbonizzato). Scaldare il composto nuovamente in essiccatoio sottovuoto a 160 ° C per 12 h.
  3. Tempera/carbonizzazione
    1. Trasferire il composto ottenuto ad un mortaio per la frammentazione delle particelle più grandi e un'omogeneizzazione del materiale.
    2. Posizionare il prodotto ottenuto nella fornace flusso e riscaldare fino a 700 ° C (a una velocità di riscaldamento di 2,5 ° C/min) e calore per 6 ore a questa temperatura. Riscaldare il materiale in atmosfera di azoto.
    3. Lasciare la soluzione a raffreddare prima di aprire il forno.
  4. Rimozione della matrice di silice di acquaforte
    1. Preparare 100 mL di soluzione (ES) di incisione. Miscelare 50 mL di alcol etilico 95% e 50 mL di acqua. Aggiungere 7 g di idrossido di potassio e mescolare fino a che è sciolto.
    2. Posto tutti ottenuti materiale carbonizzato (almeno 1 g) in un pallone da 250 mL e aggiungere 100 mL di ES.
    3. Fornitura del sistema con un condensatore a riflusso, agitatore magnetico e calore ad ebollizione continuando a mescolare. Far bollire la miscela per 1 h.
    4. Trasferire il materiale ottenuto all'imbuto Büchner, lavarlo con almeno 4 L di acqua distillata e asciugarlo.

2. preparazione della matrice silice SBA-15

  1. Sintetizzare una matrice di silice.
    1. Preparare 150 mL di HCl di 1,6 M.
    2. Sciogliere 4 g di polimero PE 6400 (EO13PO70EO13) in 150 mL di soluzione acida in un pallone.
    3. Mettere il pallone in un bagno ad ultrasuoni. Riscaldare la soluzione a 40 ° C e mescolare affinché il polimero può sciogliere (almeno per 30 min).
    4. Lentamente aggiungere 8,5 g di TEOS al pallone, goccia a goccia, con agitazione costante. Mescolare la miscela di soluzione per 24 ore alla stessa temperatura (40 ° C).
    5. Trasferire il contenuto del matraccio a una cartuccia di politetrafluoroetilene. Lasciare agire la soluzione per 24 h in forno a 120 ° C.
    6. Filtrare il precipitato risultante, utilizzando un imbuto Büchner e lavarlo con acqua distillata (almeno 1 L).
    7. Asciugare il solido ottenuto a temperatura ambiente e calcine per 6 h a 600 ° C, con un forno a muffola in atmosfera aria.

3. metodi di caratterizzazione

  1. Misure di adsorbimento/desorbimento di azoto a bassa temperatura
    1. Utilizzare un analizzatore di assorbimento automatico per ottenere N2 isoterme di adsorbimento/desorbimento a 77 K.
    2. Utilizzare un tubo di vetro adatto per misure di assorbimento di azoto. Prima di aggiungere il campione poroso per il tubo di vetro, pulire il tubo in una lavatrice ad ultrasuoni e risciacquare prima con acqua distillata e, accanto, con etanolo anidro.
    3. Riscaldare il tubo di vetro a 150 ° C per 3 h e riempire il tubo con azoto compresso. Pesare il tubo di vetro vuota sotto le condizioni di azoto prima della misurazione per minimizzare l'errore di peso.
    4. Posizionare il campione nel tubo di vetro e pesare la massa totale (la massa del campione con il tubo di vetro).
    5. Prima le misurazioni, degassare il campione. Posizionare il tubo di vetro con il campione nella porta di degassamento di analizzatore di assorbimento. Applicano le seguenti condizioni di processo: una pressione di almeno 0,01 mm Hg, una temperatura di 423 K e una durata di 24 ore. Nel porto degasaggio, collegare il campione al vuoto e calore alla temperatura impostata (423K). Dopo degasaggio, riempire il campione con azoto e trasferimento per il porto di analisi.
  2. Microscopia elettronica a trasmissione
    1. Usare il microscopio TEM con il 120 kV (per SBA-15) e 200 kV (per il materiale OMC) accelerazione tensioni per raccogliere le immagini TEM di buona qualità.
    2. Per la preparazione di un film di monodisperse del campione, disperdere il campione (1 mg) in etanolo (1 mL). Eseguire la procedura di dispersione in un tubo del microcentrifuge collocandolo in un bagno ad ultrasuoni per 3 min.
    3. Mettere due gocce della dispersione su una griglia TEM rame utilizzando una micropipetta. Trasferire la griglia TEM al microscopio TEM e avviare l'imaging di TEM.
  3. Spettroscopia a raggi x dispersiva di energia
    1. Utilizzare un microscopio elettronico a scansione dotato di un rivelatore di raggi x per acquisire uno spettro di raggi x dispersivo di energia dei campioni.
    2. Applicare una tensione di accelerazione di 15 kV per raccogliere lo spettro. Selezionare il silicio come elemento di ottimizzazione per SBA-15 e il carbonio per l'esempio OMC.
  4. Misurazione di titolazione potenziometrica
    1. Utilizzare una buretta automatica per eseguire l'esperimento di titolazione potenziometrica. Aggiungere la soluzione titolata in porzioni piccole e controllate (secondo il software di titolazione e procedura). Fornire il più piccolo incremento, almeno 1 μL, un intrument dosaggio automatico.
    2. Disperdere 0,1 g del campione in 30 mL di una soluzione elettrolitica (soluzione acquosa di 0.1 M NaCl). Utilizzare l'agitatore magnetico e condizioni isotermiche (293 ± 0,1 K) durante la procedura di dispersione.
    3. Aggiungere 1-2 mL di soluzione titolata (soluzione di NaOH 0,1 M) alla sospensione.
      Nota: Eseguire l'aggiunta in piccole aliquote (ciascuno per essere circa 0,05 mL). La buretta automatica la procedura dovrebbe fornire almeno una dozzina di punti sperimentale nella gamma di pH da 1 a 14.
    4. Calcolare la densità superficiale di carica Qs, utilizzando la seguente formula.
      Equation 1(1)
      Qui,
      ΔN = la variazione del saldo di mommy H+– ridotto per massa del campione;
      SBET = l'area della superficie Brunauer-Emmett-Teller (BET) dello stato solido poroso;
      F = il numero di Faraday.
  5. Metodo di risalita capillare per misure di bagnabilità
    1. Per determinare l'angolo di contatto all'interno dei pori dei campioni studiati, utilizzare il metodo di risalita capillare.
      Nota: Questo metodo si basa sulla misura dell'aumento massa del liquido, che sta penetrando il letto poroso, come funzione del tempo. Il principale presupposto di questo metodo è basato sul fatto che liquido penetrante sta avanzando nella colonna porosa e che questa colonna è costituito da capillari intergranulare con un determinato raggio medio. Così, ogni relazione derivata per singolo capillare è valido per il livello della polvere porosa. In un singolo capillare verticale, il liquido di bagnatura galleggianti contro le forze gravitazionali a causa della differenza di pressione fra il liquido e il vapore nei pori (pressione capillare). In questo senso, la penetrazione del liquido nel letto poroso permette di determinare l'angolo di contatto dinamico avanzamento all'interno dei pori.
    2. Applicare equazione17,18, espresso come segue di Washburn modificate.
      Equation 2(2)
      Qui,
      m = massa del liquido misurato;
      C = parametro geometrico dipendono la distribuzione, la forma e la dimensione dei pori;
      Ρ = densità;
      Γl= la tensione superficiale;
      Η = viscosità del liquido penetrante;
      Θ = l'angolo di contatto;
      t = tempo.
    3. Utilizzando l'equazione (2), stimare i valori degli angoli di contatto avanzanti all'interno dei pori studiati.
    4. Preparare il tensiometro di forza. Per polveri, utilizzare un tubo di vetro con un diametro di 3 mm e un sinter in ceramica; per il liquido, è necessario utilizzare un vaso con un diametro di 22 mm e un volume massimo di 10 mL.
    5. Misura 0,017 g del campione.
    6. Avviare il programma di computer connesso per il tensiometro. Mettere un recipiente con il liquido su un palco motorizzata e sospendere il tubo di vetro con il campione su una bilancia elettronica.
    7. Avviare il motore e avviare avvicinando il liquido nel recipiente con il campione a bassa velocità costante di 10 mm/min; impostare la profondità di immersione della provetta del campione in uguale a 1 mm.
    8. Da questo momento, la dipendenza m2 = f(t) registri nel programma del computer.
    9. Interrompere l'esperimento quando la dipendenza m2 = f(t) inizia a mostrare l'altopiano caratteristico.
    10. Verifica per precisione ripetendo questa procedura 3 x - 5.
  6. Spettroscopia dielettrica relax
    1. Per descrivere il comportamento in fusione di acque confinate all'interno delle matrici porose studiate, eseguire misure di temperatura di capacità elettrica C del campione presente in un condensatore della piastra parallela fatto di acciaio inossidabile19, 20 , 21. per misurare la capacità C come la funzione della temperatura e la frequenza del campo elettrico ciclico applicato, utilizzare un analizzatore di impedenza.
      Nota: La permittività elettrica complessa è definita come ε * = ε' + iε cm, dove ε' = C/C0 è il real e ε cm = tgδ·ε' è una parte immaginaria della costante dielettrica, dove C0 è la capacità del vuoto condensatore e tgδ sono le perdite dielettriche.
    2. Mettere il campione misurato nel condensatore della piastra.
    3. Selezionare un intervallo di frequenza da 100 Hz a 1 MHz e una temperatura da 140 mila a 305 K. controllo il tasso di temperatura cambia con il regolatore di temperatura; impostare la velocità di temperatura come uguale a 0,8 K/min durante il raffreddamento e 0,6 K/min durante il processo di riscaldamento.

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Representative Results

Per caratterizzare la struttura porosa dei campioni esaminati di OMC e SBA-15, l'adsorbimento-desorbimento N2 isoterme sono state registrate a 77 K. La sperimentale isoterme di adsorbimento-desorbimento N2 gas che caratterizzano i sistemi studiati, come pure le distribuzioni di dimensione del poro (PSD) ottenute dai dati di adsorbimento e desorbimento, sono presentate in Figura 1A-D. La posizione dei punti di flesso le isoterme di adsorbimento (Figura 1A, C) indica la pressione in corrispondenza del quale inizia il processo di mesopore di riempimento. Queste informazioni sono necessarie per calcolare la dimensione media dei pori e il PSD (Figura 1B, D), secondo l'equazione di Kelvin.

Figura 2A -C presenta le immagini TEM del MCA. Figura 2D E presenta le immagini TEM del campione SBA-15. Le micrografie TEM ottenuti sono stati utilizzati per valutare la qualità dei materiali sintetizzati e confermando la struttura esagonale bidimensionale. Un'interpretazione delle immagini TEM permette una stima delle dimensioni dei pori e un confronto dei valori con i dati ottenuti da misure di sorbimento (Figura 1).

Figura 3 illustra la distribuzione di densità superficiale di carica per materiale carbonio e silice. Le proprietà delle superfici e interfacce di supporti e matrici solide hanno un impatto cruciale sulle caratteristiche dei materiali studiati e sui processi fisico-chimici e fenomeni sulla loro superficie o nelle loro vicinanze. Un'indagine sperimentale delle proprietà superficiali, come la densità di carica superficiale, sembra essere appropriato e prezioso per indagare come proprietà di superficie (presenza e tipi di gruppi funzionali) influenzano la chimica indagata e fisico fenomeni. In particolare, le caratteristiche superficiali legate alla chimica superficiale dei materiali carbonio dipendono la carica superficiale definita da eteroatomi (come l'ossigeno o azoto) e influenzare le proprietà adsorbitive, elettrochimica, bagnabilità e caratteristiche catalitiche e infine, comportamento acido-base e idrofila idrofobe. Un'analisi della posizione carica di punto-di-zero sulla scala del pH fornisce informazioni sull'acidità del sistema; più basso valore del pHpzc , più acido è il campione.

Figura 4A B Mostra tipici TEM-energia spettri di spettroscopia (EDS) di raggi x dispersivi per il campione OMC, illustrando l'interazione del fascio incidente con il campione, che genera i raggi x con energie caratteristiche di numero atomico elementi. TEM-EDS è un potente strumento per la determinazione della composizione chimica. Figura 4 Mostra i risultati di EDS per materiale SBA-15. Il valore dell'energia della radiazione caratteristica proveniente dal campione permette un'identificazione degli elementi contenuti nel campione studiato, mentre l'intensità (l'altezza dei picchi nello spettro) consente un'analisi qualitativa dei suoi contenuti ( Figura 4).

Figura 5 illustra i risultati delle misurazioni degli angoli di contatto all'interno i nanopori dell'OMC (Figura 5A) e SBA-15 (figura 5B), a cui fa riferiti per la bagnabilità su vetro e grafite pirolitica altamente orientato liscia (HOPG) substrati, rispettivamente. Una superficie di vetro silice idealmente liscio e grafite grafite pirolitica come una superficie liscia grafite sono stati usati. Gli angoli di contatto misurati sono mostrati come una funzione del parametro di bagnatura microscopica αw per la silice planare liscia, la superficie di grafite e i materiali nanoporosi ruvido. Valori di αw per i liquidi su questi substrati di silicio e grafite (Figura 5A, B) possono essere trovati base all'equazione seguente.

Equation 3(3)

Qui,
Εfw, εff = profondità energia del potenziale di Lennard-Jones;
Σfw = la lunghezza di collisione del potenziale di Lennard-Jones;
Ρw = il numero di atomi di solidi per unità di volume;
Δ = la distanza tra gli strati di separazione nel substrato.

Questi valori sono ricavati da letteratura precedentemente pubblicata22,23,24. La misura della bagnabilità permette la caratterizzazione delle interazioni adsorbato/adsorbente. Insieme con la titolazione potenziometrica e l'analisi EDX, la misurazione della bagnabilità fornisce una descrizione completa delle proprietà superficiali di un dato campione. Più basso angolo di contatto, maggiore la bagnabilità, che significa che l'interazione della molecola del liquida penetrante con la superficie studiata è più forte (Figura 5A, B).

La figura 6 Mostra che la rugosità frazioni f calcolato da Cassie-Baxter modello25 vs il parametro di bagnatura al microscopio per il carbonio nanoporosi (OMC; Figura 6A) e la silice (SBA-15; Figura 6B) matrice. Partiamo dal presupposto che la bagnatura su superfici ruvide si verifica secondo il meccanismo di Cassie-Baxter (vale a dire, la goccia del liquido non penetra le cavità ma è nella parte superiore le irregolarità [come mostrato in inserti di Figura 5A, B ]). In questo modello, l'angolo di contatto sulla superficie ruvida θp è descritto come:

cosθp = f(1 + cosθ) - 1 (4)

Qui,
Θ = il valore di angolo di contatto su un substrato poroso liscio (vetro);
f = è la frazione della superficie porosa, che è a diretto contatto con l'interfaccia liquida.

Vale la pena di valutare la rugosità frazioni f (equazione 4) che agisce come un fattore di correzione per l'interpretazione delle misure di angolo di contatto per le molecole di liquide con la superficie del campione nei pori.

Figura 7 illustra i risultati di spettroscopia dielettrica per deuterati acqua confinata nei campioni studiati dell'OMC (figura 7A) e SBA-15 (figura 7B). Queste illustrano le dipendenze di temperatura della capacità elettrica C per entrambi i campioni (figura 7A, B). Allo stato solido della sostanza polare, loro polarizzazione orientazionali svanisce, e il costante dielettrica ε è uguale a n2, dove n è l'indice di rifrazione della sostanza. Il forte incremento visibile nelle curve C-T indica le transizioni di fase di fusione che si verificano nel sistema. La temperatura dell'aumento anomalo della funzione C-T consente la determinazione del punto di fusione del liquido di massa e il punto di fusione nei pori del campione studiato.

Figure 1
Figura 1: Grafico sperimentale N2 adsorbimento/desorbimento isoterma a 77 K e distribuzioni di porosità mediante il metodo (BJH) Barrett, Joyner e Halenda7,26,27. Per materiali nanoporosi carbonio (A e B) e (C e D) silice materiale SBA-15. Le isoterme di azoto mostrano cicli di isteresi caratteristica, fornendo un'informazione riguardo la forma e distribuzioni di dimensione dei pori studiati del poro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: immagini TEM che illustrano la struttura di canali ordinata nanoporosi. (A - C) immagini TEM del carbonio nanoporosi lungo la direzione (001) a vari ingrandimenti. (D - E) la struttura di SBA-15. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: risultati di titolazione potenziometrica per OMC e SBA-15 (dipendenza del pH della densità superficiale di carica). La dipendenza di densità superficiale di carica di pH sono illustrate le differenze nel carattere elettrochimico di entrambi i materiali; il punto di pzc fornisce informazioni sul numero di siti di acido sulla superficie del campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: esempi di spettri di TEM - EDS e analisi EDS. (A e B) spettri EDS per il campione OMC, registrato da due diverse aree segnate sull'immagine TEM. (C), EDS spettri e risultato di analisi quantitativa del campione SBA-15. Risultati quantitativi di un'analisi EDS dare informazioni circa la presenza di elementi in gruppi funzionali responsabili per la reattività di superficie; si tratta di una tecnica complementare alla titolazione potenziometrica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Angoli di contatto vs il parametro di bagnatura microscopica misurato all'interno di matrici porose. (A) i nanoporosi carbonio (OMC) e matrice di silice (SBA-15) (B), fare riferiti a come gli angoli di contatto contro la funzione di parametro microscopica bagnante sulla grafite pirolitica liscia e substrati di vetro, rispettivamente. La bagnabilità all'interno dei pori si riferisce la bagnabilità su superfici piane e fornisce alcune informazioni circa l'influenza della rugosità dei pori sulle interazioni di adsorbato/adsorbente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: La rugosità frazioni f calcolato dalla Cassie-Baxter modello vs il parametro di bagnatura al microscopio. Per (A) i nanoporosi carbonio (OMC) e matrice di silice (SBA-15) (B). Un'applicazione del modello Cassie-Baxter di bagnabilità consente l'interpretazione degli angoli di contatto su superfici porose ruvido. Le frazioni di f calcolate da questo modello descrivono la percentuale dei contributi della parete porosa che sono a diretto contatto con la superficie del liquido. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Dipendenze di temperatura di capacità elettriche di D2O acqua confinata all'interno della matrice porosa OMC e SBA-15. il MCA (A) e la matrice porosa (B) SBA-15. L'interpretazione della funzione C-T permette l'identificazione della temperatura di transizione di fase di D2O nei pori e nella massa che si verificano nel sistema studiato. Un aumento in piombo di funzione di C-T all'aumento del punto di fusione sia per acqua di massa e confinati acqua all'interno dei pori. Il valore dello spostamento del punto di fusione nei pori rispetto la maggior parte dipende da interazioni molecolari/ospite. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Campione Area di superficie (SBET)un  Volume dei pori Distribuzione delle dimensioni dei pori
(m2/g) (cm3/g) (nm)
Stotale Smicb Vtotalec 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

Tabella 1: I valori dei parametri tessiturali che descrive una struttura porosa di carbonio nanoporosi ordinato e SBA-15 silice calcolate dal N 2 isoterme di adsorbimento. un Superficie di scommessa calcolata utilizzando i punti sperimentali presso la pressione relativa di (P/P0) 0,035 - 0,31, dove P e P0 sono indicati come la pressione di equilibrio e la saturazione di azoto. b Superficie e volume dei micropori calcolata con il metodo t-trama con uno spessore di statistico montato nell'intervallo da 3,56 a 4,86 del poro Å. volume totale dei pori ccalcolato da 0,0015468 x la quantità di azoto adsorbito al P/P0 = 0,99. d Diametri del poro idraulico calcolati dalla puntata superficie aree e volumi secondo l'equazione del poro: Dh = 4V/S. e Il diametro dei pori stimato dal massimo PSD della teoria del funzionale della densità non locali (NLDFT). NLDFT calcoli sono stati eseguiti utilizzando una regolarizzazione non negativa di 0,001 e la geometria cilindrica dei pori come modello di porosità di carbonio. f Il diametro dei pori stimato dal metodo BJH (gli stessi risultati per adsorbimento e desorbimento dei dati). * La mancanza di valori dei diametri del poro di SBA-15 stimato dal metodo NLDFT. 

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Discussion

I passaggi critici durante la preparazione del materiale carbonio mesoporosi ordinati includono la preparazione dei materiali mesoporosi ordinati silice come il modello con ben definite proprietà strutturali che influenzano le proprietà del materiale finale e un passo di rinvenimento/carbonizzazione sotto atmosfera di azoto. La modifica del metodo tipico del preparato dei mesoporosi ordinato silicati con pori cilindrici28 riguarda l'applicazione di un agente di struttura-dirigere atipico che è polimero PE10500, per il miglioramento dei fondi strutturali Proprietà del materiale. La struttura porosa tridimensionale, interconnessa e stabile del modello è necessaria per la preparazione dei materiali mesoporosi carbonio. Inoltre, uno svantaggio chiave della preparazione è il requisito essenziale del trattamento del campione per la rimozione del modello. Le proprietà delle sostanze chimiche utilizzate in questo passaggio possono colpire la superficie di carbonio e la sua funzionalità. Secondo la strategia presentata, la preparazione della replica negativa del MCA è basata sul modello solido mesoporosi ordinati. Il controllo delle dimensioni dei pori e simmetrica di ordinazione sono determinati semplicemente utilizzando il modello di silice e non sono associati con l'interazione tra il precursore di carbonio e il modello. Il potenziale del MCA per vari sistemi elettrochimici è stato indicato nella letteratura29,30. Il meccanismo di impregnazione presentato in questo lavoro è responsabile per il processo facile di replicare esattamente la struttura negativa del modello silice. La natura della procedura modello rigido assicura che i fenomeni di pirolisi causano meno danni alla struttura regolare e ordinato. Inoltre, questo metodo consente un più facile grafitizzazione dei materiali OMC formata all'interno del modello solido.

L'isoterma di adsorbimento/desorbimento di N2 sperimentale (Figura 1A, C) è stato utilizzato per ottenere informazioni preliminari circa il tipo e la dimensione delle porosità. Chiaramente è stato confermato il carattere nanoporosi del materiale. Un piccolo aumento della quantità di azoto adsorbito nella fase iniziale del processo (nella gamma di pressione relativa inferiore a 0,03) e relativo aumento significativo nella gamma ulteriore di pressione relativa (soprattutto nella fascia di mesopori) indica la esistenza di un numero significativo di mesopori e la mancanza, o un numero molto piccolo di micropori. Le isoterme di adsorbimento-desorbimento ottenute per questo materiale sono tipiche del tipo-IV (IUPAC classificazione31), che è un riflesso corretto del sistema di canali di carbonio mesoporosa con una fase di forte condensazione capillare presso intermedia relativa pressione (0.45 - 0,9 P/P0). La posizione del punto di condensazione capillare corrisponde alla dimensione primaria di mesopori (circa 4-5 nm). Il campione studiato carbonio esibisce inoltre un'elevata superficie specifica (757 m2·g-1) e un volume dei pori significativo (0,87 cm3·g-1).

I passaggi critici durante le misurazioni di adsorbimento/desorbimento di azoto sono il passo di determinazione molto precisa del campione di massa e il sufficientemente degassare passo. La misurazione è stata eseguita secondo le linee guida appropriate. Nonostante il fatto che la determinazione dell'area superficiale e la distribuzione delle dimensioni dei pori si basa sulle misurazioni physisorption, l'interpretazione delle isoterme sperimentale non è sempre diretto.

Durante il calcolo della distribuzione granulometrica dei mesopori, applicando l'equazione di Kelvin modificata (che è alla base della teoria), è necessario accettare il presupposto dei pori rigidi di forma ben definita. Inoltre, l'intervallo di validità dell'equazione di Kelvin e l'interpretazione dei cicli di isteresi sulle isoterme restano problemi irrisolti. La possibilità di agevolazione è relativo all'applicazione di metodi empirici di analisi isoterma (ad es.,il αs-metodo29,30,31,32, 33,34). Tuttavia, questo modo richiede l'utilizzo di dati di adsorbimento ottenuti con materiali di riferimento non porosa.

Figura 1B D presenta distribuzioni di dimensione dei mesopori dei campioni studiati (PSD). Il presupposto della teoria BJH consentito la determinazione della distribuzione granulometrica dei mesopori. La curva PSD presentata in Figura 1B suggerisce che il campione di carbonio contenuto mesopori delle dimensioni di 3,5-4 nm, mentre SBA-15 ha posseduto i pori con un diametro di circa 5 nm (Vedi Figura 1). È interessante notare che, per l'esempio OMC, i massimi delle curve di distribuzione di dimensione dei pori calcolati dall'adsorbimento e desorbimento dati sono molto simili. Come preciso accordo tra i risultati, in considerazione di diversi meccanismi di fenomeni di adsorbimento e desorbimento, prova una natura molto ordinata ed uniforme del materiale. Le proprietà tessiturale determinate da isoterme sperimentali sono riassunti nella tabella 1.

Le proprietà della struttura di rete poro basato sulle analisi fisiche di adsorbimento/desorbimento sono fondamentali per la caratterizzazione delle nanopolveri e nanomateriali. Metodi di adsorbimento/desorbimento di azoto possono essere considerati come la prima tappa nella caratterizzazione dei solidi microporosi e mesoporosi. Il metodo è, in generale, applicabile a campioni di tutte le classi di materiali o corpi porosi e consente una stima delle strutture porose sulla base le forme delle isoterme e cicli di isteresi direttamente dalla misura sperimentale. L'azoto di adsorbimento/desorbimento accanto gli altri metodi di determinazione della struttura porosa (intrusione liquido35 e luce, raggi x e neutron scattering36,37 e microscopia32) è il più importante e tecnica utile a causa della ampia applicabilità e reciproco comparabilità dei risultati.

L'azoto è una molecola di gas adsorbente standard per la caratterizzazione di poro di metodo di adsorbimento di gas. È possibile utilizzare altri tipi di molecole (anidride carbonica, kripton, argon) per ottenere nuove informazioni sull'esempio e per la caratterizzazione di materiali microporosi.

Le micrografie TEM di campioni esaminati di OMC e SBA-15 sono presentati nella Figura 2. Hanno confermato un sistema altamente ordinato di mesopori, composto da canali porosi paralleli e molto simile e una struttura di asta-a forma di carbonio con il poro dimensioni ~ 11 nm (Figura 2A-C). Micrografie TEM di OMC ha confermato una simmetria esagonale dei pori a seguito della replica inversa il precursore di silice nanoporoso iniziale e un diametro dei pori tra le aste di 4.0 nm. Il campione di SBA-15 Mostra la struttura esagonale ordinata bidimensionale di mesopori; la struttura ben ordinata di SBA-15 è osservata in entrambe le proiezioni, insieme ai canali nanoporosi e perpendicolare a loro (Figura 2D, E). Queste osservazioni sono in buon accordo con i valori ottenuti dai dati di assorbimento di azoto sperimentale (Vedi tabella 1). Microscopia elettronica di trasmissione è in grado di fornire immagini a una risoluzione superiore rispetto a microscopia chiara a causa della minore lunghezza d'onda di de Broglie degli elettroni. Questo ci permette di catturare i dettagli migliaia di volte più piccoli di un oggetto risolvibile visto in una microscopia chiara. In questo metodo, l'immagine viene dall'interazione degli elettroni con il campione quando il raggio è trasmesso in tutto il campione. Di conseguenza, uno dei limiti del metodo è che il campione deve essere un film ultrasottile di meno di 100 nm di spessore o una sospensione applicato su una griglia. TEM può essere migliorato da un scansione microscopio elettronico a trasmissione (STEM). Dovrebbe essere possibile tramite un'aggiunta di un sistema combinato con rivelatori adatti, che saranno raster il fascio attraverso il campione per formare l'immagine.

Il pH della carica punto-di-zero dell'OMC (ossia, il valore di pH di sotto che è caricato positivamente la superficie totale delle particelle di carbonio) è stato trovato per essere superiori a pH = 10 (Figura 3). Per confronto, il pH della carica del materiale SBA-15 punto di zero è uguale a circa 4.5. Risultati di titolazione potenziometrica del materiale SBA-15 mostrano un cambiamento di pHpzc verso valori di pH inferiori, che attestano l'esistenza di alcuni centri di acido sulla superficie SBA-15. I siti caricati negativamente aumentano le interazioni di Van der Waals tra le molecole adsorbenti/adsorbato nella matrice SBA-15, migliorando le proprietà adsorbente della matrice di silice.

I passaggi critici durante la misurazione di titolazione potenziometrica includono l'aggiunta molto preciso del titolante per la sospensione e la continuità di agitazione. La procedura di titolazione potenziometrica è stato completamente automatizzata per garantire risultati più affidabili. Un altro passo importante e singolare è stata l'applicazione di speciale software per il controllo dei calcoli e delle condizioni sperimentali. La limitazione di questo metodo è il passo di calibrazione dell'elettrodo pH e la necessità di garantire un ambiente stabile (ad esempio, azoto) e la temperatura. Titolazione potenziometrica può essere classificata come una procedura di titolazione acido/base. Questa tecnica richiede misure della variazione tensione sui passi di aggiunta di titolante. Fornisce una tecnica adattabile, a prezzi accessibili e altamente accurata per ottenere elevata purezza, che è essenziale in molti campi, in particolare in prodotti farmaceutici e studio dei materiali funzionali. In realtà, ci sono una serie di tipi di Titolazioni potenziometriche. Ci sono, per esempio, acido-base, redox, precipitazioni e complessometriche tecniche. Come possono essere realizzati automaticamente Titolazioni potenziometriche, assicura una maggiore capacità per la caratterizzazione del campione.

Il pzc è determinato come l'intersezione tra la curva di titolazione dell'elettrolito e la curva di titolazione registrate per materiale di carbonio, come pure l'intersezione della curva di densità superficiale di carica con l'asse. Il risultato suggerisce che ha indagato, ordinato nanoporosi carbonio materiale ha proprietà di base legate alla presenza di gruppi funzionali di ossigeno (-OH terminale gruppi chetonici, pyronic anello, chromenic e π-elettroni sistemi)38,39 ,40,41. Le proprietà di base della superficie del carbonio possono essere il risultato di un trattamento termico che provoca la distruzione progressiva e la rimozione di gruppi funzionali acidi ossigeno (ad esempio, carboxyls, lattoni e fenoli) e, così, arricchisce la superficie di carbonio in basic gruppi funzionali42. La presenza di questi siti di base è una conseguenza della diminuzione simultanea del numero di siti acidi e una riduzione del tenore di ossigeno associato direttamente con l'acidità. Il contenuto di ossigeno è stato verificato da TEM-EDS.

Immagini di spettri di TEM-EDS della superficie OMC da due aree diverse del campione vengono visualizzati in Figura 4A, B. Gli atomi di ossigeno e il silicio dalla superficie OMC sono stati rilevati nonostante la predominante quantità di carbonio. L'atomica e peso percentuale degli elementi, presentato come inserti e provenienti dalle diverse aree dei campioni, sono simili e indicano circa 98% è composto di carbonio e solo poco più dell'1% della composizione è attribuibile all'ossigeno. Microanalisi EDS possono suggerire che la base del carattere della superficie OMC è associato con un numero molto basso di gruppi funzionali contenenti ossigeno, che in genere ha funzionalità acide. Inoltre, i gruppi funzionali base può essere responsabili per la coltivazione di idrofilia dei materiali al carbonio. Uno spettro di EDS di matrice di silice conferma il principale contributo dell'abbondanza di ossigeno e il silicio nel SBA-15 (Figura 4). EDX è una delle tecniche che determinano la composizione atomica dell'esemplare. Non dà informazioni chimiche (ad es., stato di ossidazione, legami chimici), come un metodo di XPS. Per l'analisi quantitativa, EDX non è adatto per elementi leggeri (e.g.,like ossigeno) quanto può solo rilevare la presenza di ossigeno, ma esso non può quantificare. Questo metodo funziona solo sulla superficie di strati sottili (di pochi micron o meno) ed è molto sensibile alla contaminazione nell'esemplare.

In Figura 5 A, B i risultati di contatto angolo di misurazione per liquidi diversi su silice e substrati di carbonio vengono presentati; possiamo vedere che i sistemi di rivelano una vasta gamma di bagnabilità. Due dei substrati applicati sono liscio e planare, vale a dire la silice e carbonio le superfici, mentre gli altri mostrano la rugosità e contengono mesopori. Gli angoli di contatto misurati sono presentati vsil parametro di bagnatura microscopica, αw. Questo parametro è il rapporto tra le interazioni intermolecolari di liquido-poro parete alle interazioni delle due molecole liquide22,23,24. Di conseguenza, esso misura le proprietà di bagnabilità al nano - e macroscales. Il parametro αw è indicato per essere una funzione monotona dell'angolo di contatto. Secondo le misure, i valori degli angoli di contatto per le superfici con roughnessare superiori a quelli per le superfici lisce e planari, indipendentemente dal tipo di liquidi studiati, tra cui nonwetting e il benessere-bagnante liquidi.

Questi risultati suggeriscono il meccanismo di Cassie-Baxter di bagnabilità su nanorugoso superfici di pareti porose. Inoltre, gli angoli di contatto misurata per diversi liquidi dentro Silice e carbonio nanopori indicano migliore bagnabilità delle pareti silice rispetto alle pareti di carbonio, e l'influenza del poro rugosità sulle interazioni fluido/parete è più pronunciato per la silice rispetto per carbonio nanopori. Il metodo di risalita capillare è utilizzato per determinare gli angoli di contatto e bagnabilità di piccole particelle nelle polveri. Per un piatto solido substrato, molte tecniche, come metodo di goccia sessile e Wilhelmy piastra metodo, possono applicarsi per le misurazioni dell'angolo di contatto. L'utilizzo del metodo di risalita capillare si presuppone la soddisfazione delle quattro condizioni durante il processo (cioè, equazione di Washburn è derivata basata su questi quattro presupposti): (1) un costante flusso laminare, (2) l'assenza di una pressione esterna, (3) trascurabile forza gravitazionale e (4) il liquido all'interfaccia solido-liquido non si sposta. La pressione idrostatica è molto più piccola rispetto alla pressione capillare; di conseguenza, la pressione capillare fa sì che il liquido a salire verso l'alto lungo il tubo. Gli studi di bagnabilità di piccole particelle dovrebbero sempre prendere in considerazione la precisione e la riproducibilità dei risultati.

Tomeasure con precisione l'angolo di contatto di piccole particelle, gli incrementi di pressione e gli effetti idrostatici deve tener conto nell'equazione di Washburn per descrivere più accuratamente la relazione tra l'incremento di pressione e tempo.

In Figura 6A, B, presentiamo la frazione f (che descrivono la parte di una superficie porosa che è a diretto contatto con l'interfaccia liquida), definita come f = (1 + cosθp) / (1 + cosθ). Prende i valori dalla gamma di 0,73 (H2O) a 0.92 (OMCTS) per la matrice di silice e dall'intervallo di 0,82 (H2O) a 0,93 (OMCTS) per la matrice di carbonio. Inoltre, la frazione f aumenta monotonicamente con il parametro αw crescente, che conferma il modello di Cassie-Baxter di bagnatura su superfici ruvide.

Questi risultati, discussi nell'ambito del modello Cassie-Baxter, mostrano che per nanosuperfici, l'influenza di microrugosità influisce in modo significativo cambiamenti nelle interazioni fluido-parete.

Per studiare l'influenza del carattere delle superfici porose sugli effetti di confinamento di D2O in SBA-15 e OMC matrici con un diametro dei pori paragonabili di 5 nm, il metodo dielettrico è stato utilizzato. I risultati della capacità elettrica di acqua versata nel MCA e SBA-15 su riscaldamento, come presentato in figura 7A e 7B figura, rispettivamente, indicano che la dipendenza di temperatura della capacità C Mostra un forte aumento a T = 260 K, corrispondente alla fusione di adsorbiti D2O all'interno dei pori di SBA-15 e al T = 246,1 K, che si riferisce alla fusione di acqua adsorbita all'interno dei pori del MCA. Per entrambi i sistemi, si osserva un aumento nella funzione C(T) t = 276,5 K, che viene definito il punto di fusione dell'acqua all'ingrosso deuterated. I segnali osservati riguardano sia la massa e il liquido ristretto perché i campioni sono analizzati come sospensione in matrici porose riempiti con il liquido in eccesso. Relativa a quella della massa, la temperatura di fusione di D2O nei pori SBA-15 è depresso da ΔT = Tm, poro− Tm, massa =-16.5 K, mentre per OMC, ΔT = k -30.4.

Questi risultati provengono da varie strutture della parete dei pori. La temperatura di fusione in pori Tm, poro dipende da due variabili, cioè la dimensione dei pori H e il parametro di bagnabilità αw. Per piccoli valori αw (αw < 1), la depressione di Tm, poro è previsto. Se la larghezza del poro H è lo stesso, la variazione del valore αw del sistema riguarda il cambiamento di Tm, poro. La bagnabilità nei pori emerge che il valore αw in entrambi i sistemi studiati diminuisce a causa degli effetti di rugosità riguardante quelle di superficie liscia. Il lavoro di bagnabilità immersi in pori We = γlcosθp è molto meno per D2O nel Mac (We = 4,2432 [mN/m]) rispetto a SBA-15 (We = 20.968 [mN/m]), che conduce a un'elevata depressione del punto di fusione in questo sistema, rispetto a quello per D2O nel sistema SBA-15.

I risultati ottenuti indicano un miglioramento negli effetti adesione sulla parete porosa silice, rispetto a quelli sulla parete di carbonio. Questo metodo presenta alcune limitazioni quando applicato a campioni studiati. Uno di loro deriva dal fatto che il record della funzione C(T) contiene il segnale da sia la massa e il liquido confinati nei pori. Il segnale dal liquido non polare confinato è debole, quindi è difficile determinare la temperatura di fusione. In futuro, vale la pena che unisce alcuni metodi aggiuntivi insieme ad essa. (ad es., differenziale calorimetria su un tasso di riscaldamento lento a scansione o centrifugazione del campione per ottenere un campione concentrato senza alcun liquido). Inoltre, per i campioni conduttivi, c'è la necessità di utilizzare una piastra di politetrafluoroetilene. Un vantaggio del metodo spettroscopia dielettrica è il fatto che il metodo è utilizzato molto, in molti settori della ricerca, ad esempio transizioni vetrose e moti molecolari scala tempo, dove la lunghezza di tempo è in decine di femtosecondi a nanosecondi. Pertanto, è importante fornire le frequenze che vanno da megahertz a terahertz. In casi come decomposizione di spettri ottenuti o l'interpretazione e l'analisi quantitativa dei risultati, la tecnica è simile a spettroscopie più comuni. Tuttavia, il metodo dielettrico indaga le fluttuazioni collettive di molecole con un momento di dipolo permanente (liquidi polari). Ad esempio, la spettroscopia infrarossa fornisce ulteriori informazioni complementari, anche se la sensibilità in direzione di modi collettivi può ostacolare l'interpretazione degli spettri dielettrici.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori vorrei ringraziare il centro nazionale delle scienze, per fornire un sostegno finanziario con grant no. DEC-2013/09/B/ST4/03711 e UMO-2016/22/ST4/00092. Gli autori sono anche grati per il sostegno parziale da la Polonia programma operativo Capitale umano PO KL 4.1.1, anche a partire dal centro nazionale per ricerca e sviluppo, nell'ambito della ricerca concedere no. PBS1/A9/13/2012. Gli autori sono particolarmente grati per la Prof. ssa L. Hołysz da interfacciale fenomeni Division, facoltà di chimica, Università Maria Curie-Sk łodowska, Lublin, Polonia, per la sua gentilezza e consentendo la misure di bagnabilità nei nanopori SBA-15.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,3,5-trimethylbenzene Sigma-Aldrich, Poland M7200 Sigma-Aldrich Mesitylene, also known as 1,3,5-trimethylbenzene, reagent grade, assay: 98%.
anhydrous ethanol POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 396480111 Assay, min. 99.8 %, analysis-pur (a.p.)
ASAP 2020. Accelerated Surface Area and Porosimetry System Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA, USA Samples were outgassed before analysis at 120 oC for 24 hours in degas port of analyzer. The dead space volume was measured for calibration on experimental measurement using helium as a adsorbate.
Automatic burette Dosimat 665 Metrohm, Switzerland The surface charge properties were experimentally determined by potentiometric titration of the suspension at constant temperature 20°C maintained by the thermostatic device. Prior to potentiometric titration measurements, the solid samples were dried by 24 hours at 120 oC. The initial pH was established by addition of 0.3 cm3 of 0.2 mol/L HCl. T The 0.1 mol/L NaOH solution was used as a titrant, added gradually by using automatic burette.
Digital pH-meter pHm-240 Radiometer, Copenhagen Device coupled with automatic burette
ethyl alcohol POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 396420420 Assay, min. 96 %.analysis-pur (a.p.)
glucose POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 459560448 assay 99.5%
Hydrochloric acid POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 575283115 Hydrochloric acid, 35 - 38% analysis-pur (a.p.)
HOPG graphite substrate Spi Supplies LOT#1170906 HOPG SPI-2 Grade, 20x20x1 mm
Impedance analyzer Solartron 1260 Solartron
Pluronic PE 6400 polymer BASF (Polska) (EO13PO70EO13)
Pluronic PE10500 BASF Canada Inc. Molar mass 6500 g/mol
potassium hydroxide Sigma-Aldrich, Poland P5958 Sigma-Aldrich BioXtra, ≥85% KOH basis
SEM microscope JEOL JSM-7001F Scanning Electron Microscope with EDS detector
Sigma Force Tensiometer 701 KSV, Sigma701, Biolin Scientific force tensiometer
Sulfuric acid (VI) POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 575000115
surface glass type KS 324 Kavalier Megan Poland 80 % of SiO2 , 11% of Na2O and 9% of CaO
Tecnai G2 T20 X-TWIN FEI, USA Transmission Electron Microscope with EDX detector.
TEM microscope JEOL JEM-1400
temperature controller ITC503 Oxford Instruments
Tetraethylorthosilicate Sigma-Aldrich, Poland 131903 Tetraethyl silicate, TEOS, reagent grade, assay 98%
Ultrapure water Millipore, Merck KGaA, Darmstadt, Germany SIMSV0001 Simplicity Water Purification SystemUltrapure Water: 18.2 MegOhm·cm, TOC: <5 ppb

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Chimica problema 145 nanoporosi Carboni modello di Cassie-Baxter bagnabilità equazione di Washburn modificata parametro di bagnatura microscopica isoterme di adsorbimento/desorbimento di azoto titolazione potenziometrica acidità
Proprietà della superficie di sintetizzato nanoporosi carbonio e matrici di silice
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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).

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