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方法文章

通过快速超临界萃取法制备和测试催化气凝胶

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DOI：

10.3791/57075

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2018年8月31日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Union College, 2Department of Chemistry, Union College

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文介绍了通过将金属物种引入二氧化硅和氧化铝气凝胶载体来制备和测试催化气凝胶的实验方案。重点阐述了使用铜盐和含铜纳米颗粒制备材料的方法。催化性能测试方案验证了这些气凝胶在三效催化应用中的有效性。

摘要

本文介绍了通过将金属组分引入二氧化硅和氧化铝气凝胶载体来制备和测试催化性气凝胶的实验方案。描述了三种制备方法：（a）采用浸渍法将金属盐引入二氧化硅或氧化铝湿凝胶；（b）采用共前驱体法将金属盐引入氧化铝湿凝胶；（c）将金属纳米颗粒直接添加到二氧化硅气凝胶前驱体混合物中。这些方法使用液压热压装置，可在较短时间内（<6 h）完成超临界萃取，所得气凝胶具有低密度（0.10 g/mL）和高比表面积（200–800 m2/g）。尽管本文工作主要聚焦于铜盐和铜纳米颗粒的应用，该方法同样适用于其他金属盐和纳米颗粒。本文还提供了一种测试这些气凝胶在汽车尾气污染控制中三效催化性能的实验方案。该技术采用自行设计的设备——联合催化测试平台（UCAT），在可控温度和流速条件下，使模拟尾气混合物通过气凝胶样品。该系统能够测量催化性气凝胶在氧化和还原条件下将一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO）和未燃碳氢化合物（HCs）转化为危害较小的物质（CO2、H2O 和 N2）的能力。文中展示了所描述气凝胶的典型催化性能测试结果。

引言

基于二氧化硅和氧化铝的气凝胶具有卓越的性能，包括低密度、高孔隙率、高比表面积、良好的热稳定性和低热导率1。这些特性使气凝胶材料在多种应用中具有吸引力1,2。其中一项利用气凝胶热稳定性和高比表面积的应用是多相催化；已有若干综述文章对该领域的文献进行了总结2,3,4,5。制备气凝胶基催化剂的方法多种多样，包括将催化组分引入或包埋于二氧化硅或氧化铝气凝胶的骨架结构中5,6,7,8,9,10,11。本研究重点介绍通过快速超临界萃取法（RSCE）制备气凝胶材料及其在汽车污染控制中的催化性能测试方案，并以含铜气凝胶为例进行说明。

三元催化剂（TWCs）通常用于汽油发动机的污染减排设备12。现代三元催化剂含有铂、钯和/或铑，这些属于铂族金属（PGMs），资源稀少，因此获取成本高昂且对环境造成较大负担。基于更易获得的金属所开发的催化剂材料将具有显著的经济和环境优势。

可通过多种方法从湿凝胶制备气凝胶1。其目标是在溶剂从凝胶中去除时避免孔隙塌陷。本实验方案采用的是快速超临界萃取（RSCE）法，该方法在可编程液压热压机中对金属模具内受限的凝胶进行萃取13,14,15,16。此前已有实验方案证明了该RSCE工艺可用于制备整体式二氧化硅气凝胶，并强调了该方法具有相对较短的制备时间17。超临界CO2萃取是一种更为常见的方法，但与RSCE相比耗时更长，且需要消耗更多的溶剂（包括CO2）。近年来，其他研究团队也已发表利用超临界CO2萃取制备多种类型气凝胶的实验方案18,19,20。

本文介绍了多种含铜催化气凝胶的制备及催化性能测试方案。该方案基于Kapteijn提供的在汽车尾气污染控制相关条件下，碳负载过渡金属催化剂在NO还原和CO氧化反应中的活性排序结果 等21，本研究选用铜作为催化金属。制备方法包括（a）将铜盐浸渍（IMP）到氧化铝或二氧化硅湿凝胶中11，(b) 制备铜-氧化铝气凝胶时采用铜(II)盐和铝盐作为共前驱体（Co-P）6,22，以及在制备过程中将含铜纳米颗粒包埋于二氧化硅气凝胶基质中10在每种情况下，均采用超临界溶剂萃取法（RSCE）去除湿凝胶基质孔隙中的溶剂。13,14,15.

一种利用联合催化测试平台（UCAT）评估这些材料作为汽车污染治理三效催化剂载体适用性的方案23，也一并展示。UCAT系统的用途，以及其关键部分的示意图如图所示 图1，旨在模拟典型汽油发动机催化转化器中的化学、热和流动条件。UCAT 通过在受控温度和流速下，使模拟废气混合物流经气凝胶样品来实现其功能。气凝胶样品被装入一个直径为 2.25 cm 的管状固定床流动池（"测试部分"），其中样品位于两个筛网之间。将装填好的反应管置于烘箱中，以控制尾气和催化剂的温度，并在最高达700℃的多个温度条件下，分别检测经过填充床处理的尾气（即流经填充床的尾气）和未经处理的气体（即绕过填充床的气体）。 ˚C. 经气凝胶催化剂处理后，以及未经处理（对照）情况下，三种关键污染物——CO、NO 和未燃碳氢化合物（HCs）——的浓度使用五气分析仪进行测量。"旁路"）流速；根据这些数据的 "转化率百分比" 每种污染物的含量均进行计算。本文所述测试采用了一种市售的尾气混合物，即加州汽车维修局（California Bureau of Automotive Repair, BAR）97低排放混合气。UCAT的完整细节'其设计与功能详见于 Bruno 等人的研究。23

热管理系统示意图；换热器，PID加热器，气体分析仪，数据采集装置
图1. UCAT测试部分与采样系统 经许可转载自 2016-01-0920（Bruno 等23), 版权所有 2016 SAE International。未经许可，严禁进一步传播 未经SAE事先许可，不得使用本材料。 请点击此处以查看此图的放大版本。

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方案

安全注意事项：在配制化学溶液以及处理湿凝胶或催化气凝胶材料时，必须始终佩戴安全眼镜或护目镜和实验室手套。操作环氧丙烷、正硅酸四甲酯（TMOS）、乙醇、甲醇、氨水、纳米颗粒及含有上述任一成分的溶液时，应在通风橱内进行。使用任何化学品（包括纳米颗粒）前，应先阅读其安全数据表（SDS）。在粉碎气凝胶样品以及装卸测试池时，应佩戴防颗粒物口罩。操作液压热压机或催化测试装置时，需佩戴安全眼镜或护目镜。使用热压机时，应将长发束起，避免穿着宽松衣物（例如围巾）。如我们先前的实验方案所述17，应在热压机周围设置安全防护罩，确保热压机正确排气，并确认附近无任何点火源。催化测试装置及其所有气体排放口应具备良好的通风条件。在催化测试装置操作区域应安装一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）气体监测仪。在取出或更换高温测试池时，应佩戴耐热手套。

1. 使用铜盐制备氧化铝-铜溶胶凝胶

注意： 氧化铝-铜（Al-Cu）溶胶-凝胶的配方见表1。所有溶液配制均在通风橱内进行。

  1. 准备试剂及其他用品
    1. 收集所需试剂：六水合氯化铝、三水合硝酸铜、环氧丙烷、试剂级乙醇和无水乙醇。
    2. 准备所需用品：洁净且干燥的烧杯（两个 250 mL）；洁净、干燥的磁力搅拌子；50 或 100 mL 量筒；一支 10 mL 注射器；一台经校准的电子天平。
    3. 准备一台小型实验室用超声波清洗仪，加水至标线处，并确保两个烧杯可放入超声仪中而不倾倒，做好使用准备。
  2. 通过浸渍法合成氧化铝-铜溶胶凝胶（Al-Cu IMP）
    1. 使用经校准的电子天平称取 5.92 g 六水合氯化铝，加入 250 mL 烧杯中。向同一烧杯中加入 40 mL 试剂级乙醇和一个搅拌子。用石蜡膜覆盖烧杯，置于磁力搅拌器上以中等速度搅拌，直至铝盐完全溶解（约 15 分钟）。将烧杯从搅拌器上取下并揭开石蜡膜。
    2. 使用 10 mL 注射器刺穿环氧丙烷瓶的隔膜，向 250 mL 烧杯中加入 8 mL 环氧丙烷。重新用石蜡膜覆盖烧杯，放回磁力搅拌器上以中等速度搅拌，直至溶液形成凝胶（约 5 分钟）。将烧杯从搅拌器上取下，让凝胶在室温下老化 24 小时。
    3. 使用经校准的电子天平称取 1.4 g 三水合硝酸铜，加入一个 烧杯中。向该 烧杯中加入 40 mL 无水乙醇。将该 烧杯放入超声仪中，超声处理至铜盐完全溶解（约 10 分钟）。
    4. 倒出氧化铝凝胶中多余的溶剂，取出搅拌子，用刮勺将凝胶切割成若干小块（每边 5–10 mm）。将铜溶液倒入盛有凝胶的烧杯中。用石蜡膜覆盖烧杯，在室温下静置老化 24 小时。
    5. 倒出多余的溶剂，加入 40 mL 新鲜无水乙醇。重新用石蜡膜覆盖烧杯，在室温下继续老化 24 小时。
    6. 至少重复步骤 1.2.5 一次，以确保完全去除过量的环氧丙烷（试剂）及任何反应副产物6。
    7. 进入步骤 3 （加工……成气凝胶……） ，对湿凝胶进行超临界溶剂萃取，以获得气凝胶。
  3. 通过共前驱体法合成氧化铝-铜溶胶凝胶（Al-Cu CoP）
    1. 使用经校准的电子天平称取 4.52 g 六水合氯化铝和 1.4 g 三水合硝酸铜。将这两种盐加入一个洁净的 250 mL 烧杯中。向该烧杯中加入 40 mL 试剂级乙醇和一个搅拌子。用石蜡膜覆盖烧杯，置于磁力搅拌器上以中等速度搅拌，直至铝盐和铜盐完全溶解（约 15 分钟）。将烧杯从搅拌器上取下并揭开石蜡膜。
    2. 使用 10 mL 注射器刺穿环氧丙烷瓶的隔膜，向 250 mL 烧杯中加入 9.5 mL 环氧丙烷。重新用石蜡膜覆盖烧杯，放回磁力搅拌器上，持续搅拌直至溶液形成凝胶（15–20 分钟）。将烧杯从搅拌器上取下，让凝胶在室温下老化 24 小时。
    3. 倒出凝胶中多余的溶剂，用刮勺将凝胶切割成若干小块（每边 5–10 mm）。向烧杯中加入 40 mL 新鲜无水乙醇，用石蜡膜覆盖 250 mL 烧杯，在室温下静置老化 24 小时。
    4. 倒出多余的溶剂，加入 40 mL 新鲜无水乙醇。重新用石蜡膜覆盖烧杯，在室温下继续老化 24 小时。
    5. 至少重复步骤 1.3.4 一次，以去除过量的环氧丙烷及任何反应副产物。
    6. 进入步骤 3 （加工……成气凝胶……） ，对湿凝胶进行超临界溶剂萃取，以获得气凝胶。

2. 使用铜盐制备二氧化硅-铜溶胶凝胶

注意： 二氧化硅-铜（Si-Cu）溶胶-凝胶的配方见表2。所有溶液配制均在通风橱内进行。

  1. 准备试剂及其他用品
    1. 收集所需试剂：正硅酸四甲酯（TMOS）、甲醇、去离子水、氨水、硝酸铜三水合物和无水乙醇。
    2. 通过将10.1 mL的14.8-M浓氨水用去离子水稀释至100 mL，配制100 mL的1.5-M氨水溶液。
    3. 准备所需用品：洁净且干燥的烧杯（包括一个250-mL和一个100-mL烧杯）；校准的可调体积移液器（建议使用一支1000-µL和一支10.0-mL数字移液器，并配备合适的吸头）；一个50-mL或100-mL量筒；一台校准的电子天平。
    4. 准备小型实验室用超声波清洗仪，加水至水位线，并确保两个烧杯均可放入超声波清洗仪中且不会倾倒。
  2. 通过浸渍法合成二氧化硅-铜溶胶-凝胶（Si-Cu IMP）
    1. 用移液器将8.5 mL TMOS加入250-mL烧杯中。用量筒向该烧杯中加入27.5 mL甲醇。用移液器加入3.6 mL水。用石蜡膜覆盖250-mL烧杯，超声处理混合物直至形成单相溶液（5–10分钟），然后揭开。
    2. 用移液器向250-mL烧杯中加入1.35 mL的1.5-M NH3。重新盖上石蜡膜，继续超声处理直至发生凝胶化（约2分钟）。将凝胶在室温下老化24小时。
    3. 使用校准的电子天平称取0.55 g硝酸铜三水合物，加入100-mL烧杯中。向该烧杯中加入20 mL无水乙醇。将100-mL烧杯放入超声波清洗仪中，超声处理至铜盐完全溶解（约10分钟）。
    4. 用刮刀将二氧化硅凝胶破碎成若干小块（每块边长约5–10 mm），然后将铜溶液加入盛有凝胶的250-mL烧杯中。重新盖上石蜡膜，将凝胶在室温下再老化24小时。
    5. 倒去多余的溶剂，加入20 mL新鲜无水乙醇。重新盖上石蜡膜，使凝胶再老化24小时。
    6. 至少重复步骤2.2.5一次。
    7. 进入步骤3 （处理……转化为气凝胶……） ，对湿凝胶进行超临界溶剂萃取以获得气凝胶。

3. 通过快速超临界萃取法将使用铜盐制备的氧化铝-铜和二氧化硅-铜溶胶-凝胶处理为气凝胶

  1. 准备热压机和模具
    1. 获取一个尺寸合适的不锈钢模具。例如，一个12.7 cm × 12.7 cm × 1.8 cm的模具，带有四个直径为3.8 cm、深度为1.5 cm的圆形孔腔。
    2. 准备垫片材料。从1.6 mm厚的石墨垫片材料和0.012 mm厚的不锈钢箔中，切割出足够覆盖整个模具表面的密封垫片（本例中为>12.7 cm × >12.7 cm）。
    3. 设置热压机用于乙醇萃取程序，参数见表3。
  2. 在热压机中进行超临界萃取
    1. 在湿凝胶完成预处理和乙醇置换后（步骤1.2.6、1.3.5或2.2.6），倾去多余溶剂。
    2. 将湿溶胶均匀分配至模具的孔腔中，并将模具居中放置于热压机加热板上。向每个孔腔中加满无水乙醇。
    3. 将用于密封模具的垫片材料置于模具顶部：先放不锈钢箔，再覆盖石墨片。
    4. 启动热压机的萃取程序。
    5. 待程序完成后（约5 h），从热压机中取出模具，移除垫片材料，并将气凝胶转移至样品容器中。

4. 铜纳米颗粒掺杂二氧化硅气凝胶整料（Si-Cu NP）的制备

  1. 准备试剂和耗材
    1. 收集试剂：正硅酸四甲酯（TMOS）、甲醇、去离子水、25至55 nm粒径的氧化铜（II）纳米颗粒水分散液（20 wt%）、1.5 M 氨水溶液（如步骤2.1.2所述）。可根据配方调整使用不同类型（氧化态、粒径）和浓度的纳米颗粒。
    2. 准备耗材：清洁且干燥的烧杯（包括一个250 mL和一个100 mL烧杯）；校准的可调体积移液器（建议配备一支10 mL和一支1,000 µL数字移液器，并配有合适的吸头）；一次性巴斯德移液管；一台校准的电子天平。
    3. 获取小型实验室用超声波清洗仪，并通过加水至标线处并确保两个烧杯可平稳放入其中，做好使用准备。
  2. 准备热压机和模具
    1. 准备合适尺寸的钢制模具。本示例中使用一个12.7 cm × 12.7 cm × 1.905 cm的模具，内含九个直径为1.905 cm的通孔圆形孔腔。向孔腔喷涂耐高温润滑剂，以便后续处理后易于取出气凝胶。
    2. 准备垫片材料。取1.6 mm厚的石墨垫片材料和0.012 mm厚的不锈钢箔，每种材料各裁剪三块，尺寸需足以完全覆盖模具（本示例中为>12.7 cm × >12.7 cm）。
    3. 设置热压机的密封和萃取程序。分别参考表4和表5中的参数设定程序。
      注意：密封步骤是必要的，以防止液体从模具底部开放的孔腔中渗出。
    4. 将垫片材料和模具按以下顺序置于热压机压板中心位置：石墨、不锈钢箔、模具、不锈钢箔、石墨。启动密封程序（使用表4中的参数）。
  3. 制备含硅-铜纳米颗粒气凝胶的前驱体溶液
    注意：含5 wt%氧化铜（II）纳米颗粒的二氧化硅气凝胶配方列于表6中。该配方可修改以掺入不同质量分数的铜。所有溶液操作和混合均应在通风橱中进行。
    1. 将一个洁净的250 mL烧杯置于校准的电子天平上，用移液器加入约13 mL TMOS至烧杯中。根据需要使用巴斯德移液管补加TMOS，使TMOS总质量达到13.04 g。
    2. 用移液器向250 mL烧杯中加入共32.63 g甲醇。再加入3.90 g去离子水。
    3. 摇匀20 wt%氧化铜（II）纳米分散液，确保沉降到底部的纳米颗粒重新悬浮，然后用移液器取1.50 g该分散液加入前驱体溶液烧杯中。再向烧杯中加入200 µL的1.5 M氨水。
    4. 用石蜡膜封住烧杯口，将混合物超声处理5–10分钟，直至形成均一单相溶液。
  4. 在热压机中进行凝胶化和超临界萃取
    1. 密封程序完成后，取下顶部垫片，注意不要移动模具。此时模具底部已被密封。
    2. 将前驱体溶液完全填充至每个孔腔中。
      注意：会有剩余溶液，可弃去或在常温条件下放置干燥以制备干凝胶。
    3. 在模具顶部依次放置一片新的不锈钢箔和一片新的石墨垫片。
    4. 启动萃取程序（使用表5中的参数）。
    5. 当萃取程序完成后（约8小时），从热压机中取出模具和垫片材料。轻轻剥离并丢弃顶部的垫片材料。戴上手套，小心地用手指将每个气凝胶推入样品容器中。

5. 运行联合催化试验台

  1. 准备并装载样品
    1. 使用研钵和研杵将约 30 mL 的气凝胶轻轻压碎成直径约为 1 至 2 mm 的颗粒。切勿将气凝胶研磨成粉末。
    2. 使用洁净干燥的量筒量取约 30 mL 催化性气凝胶颗粒。
      注意： 气凝胶在热处理过程中会收缩，因此必须确保热处理后仍有 15–20 mL 的气凝胶可用于测试。
    3. 将气凝胶放入陶瓷坩埚中，松散地盖上盖子，并在马弗炉中于 800 ˚C 下煅烧 24 小时。
    4. 从炉中取出坩埚并使其冷却。
    5. 量取 20 mL 气凝胶，倒入洁净干燥的 UCAT 测试段中，并插入端部筛网，以在测试期间固定样品位置。
    6. 使用铜垫圈和夹具将测试段装入 UCAT 组件中并密封。牢固关闭 UCAT 炉膛。
      注意： 为避免炉体损坏或电路短路，请确保测试段不接触炉膛内壁。
  2. 准备联合催化测试平台
    1. 检查 CO 和 NO 检测器是否已开启并正常工作。
    2. 检查模拟尾气供应。若压力低于 700 kPa，则在开始测试前更换模拟尾气瓶。
    3. 将气体压力调节器设定为 345 kPa，空气压力调节器也设定为 345 kPa，并对尾气流路进行检漏。
    4. 开启并校准五气分析仪至零点，设置分析仪进入测量状态。保持分析仪开启状态至少 30 分钟以预热。
    5. 设定所需炉温（首次读数通常为 200 ˚C）并启动炉膛。确保旁通阀设置为将气流导向测试单元。
    6. 调节质量流量控制器，以提供适当量的空气（预热时使用）和模拟尾气（测试时使用），以维持所需的空间速度。
      注意： 在本系统中，只需在系统控制程序中设定所需的空间速度即可实现。质量流量控制器为自动控制，会根据炉温自动调节质量流量至所需值，以维持选定的空间速度。
    7. 开启通过测试单元的预热/吹扫空气流，等待气流在目标测试温度下稳定（通常约 30 分钟）。
  3. 进行测量
    1. 重新将五气分析仪归零，并将旁通阀设置为使气流绕过测试段。关闭预热/吹扫空气。
    2. 开启模拟尾气流。等待五气分析仪读数稳定（约 90 秒），记录旁通状态（模拟尾气瓶）下的污染物浓度。
    3. 将旁通阀设置为使气流通过测试段。等待五气分析仪读数稳定（约 360 秒），记录经处理的无氧尾气污染物浓度。
    4. 开启氧气添加至混合气中。等待五气分析仪读数稳定（约 90 秒），记录含氧处理尾气的污染物浓度。
    5. 将旁通阀设置为使气流再次绕过测试段。等待五气分析仪读数稳定（约 90 秒），再次记录旁通状态（模拟尾气瓶）下的污染物浓度。
    6. 关闭模拟尾气流。
    7. 将炉温升高至下一个目标条件（通常提高 50 ˚C），然后重复步骤 5.2.6 至 5.3.6。持续进行，直至在目标最高温度（通常为 600 ˚C）下完成所有测量。
  4. 关闭联合催化测试平台
    注意：在完成最终旁通测量（通常在 600 ˚C）后，测试即告结束。关闭测试平台。
    1. 关闭模拟尾气瓶的阀门和调节器。关闭炉膛、五气分析仪和空气供应。
化学试剂用量 （浸渍法）用量 （共前驱体法）
AlCl3•7H2O5.92 g4.52 g
Cu(NO3)2•3H2O1.4 g1.4 g
环氧丙烷8 mL9.5 mL
试剂级乙醇40 mL40 mL
无水乙醇120 mL120 mL

表1. 氧化铝-铜溶胶凝胶制备配方。

化学试剂用量 （浸渍法）
TMOS8.5 mL
MeOH27.5 mL
H2O3.6 mL
1.5-M NH31.35 mL
无水乙醇60 mL
Cu(NO3)2•3H2O0.55 g

表2. 二氧化硅-铜溶胶凝胶的制备配方。

步骤 #温度 (°C)升温速率 (°C/min)压力 (kN)压力变化速率 (kN/min)保温时间 (min)
13030020030000.25
22502.2200--30
3250--4.54.515
4302.24.5--1
5结束

表3. 氧化铝-铜和二氧化硅-铜溶胶凝胶的热压萃取程序参数。

步骤 #温度 (°C)升温速率 (°C/min)压力 (kN)压力变化速率 (kN/min)保温时间 (min)
1关闭--90300010
2结束

表4. 热压密封程序参数。

步骤 #温度 (°C)升温速率 (°C/min)压力 (kN)压力变化速率 (kN/min)保温时间 (min)
13030018030000.25
22901.6180--30
3290--4.54.515
4401.64.5--1
5结束

表5. 掺杂铜纳米颗粒的二氧化硅气凝胶热压萃取程序参数。

化学试剂体积 (mL)质量 (g)
TMOS12.7513.04
甲醇41.2532.63
水3.93.9
纳米分散液1.51.5
氨水0.20.15

表6. 制备5 wt%铜纳米颗粒掺杂二氧化硅气凝胶的配方。

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结果

所得气凝胶的照片如图2所示。由于湿凝胶在溶剂交换前已被破碎成小块，因此Al-Cu IMP和Si-Cu IMP气凝胶呈小块状、形状不规则的整体结构。从这些样品的颜色可明显看出，气凝胶中含有铜物种，且材料内部存在铜物种形态和/或配体结构的差异。Al-Cu IMP气凝胶（图2a）呈红色至绿灰色11。Al-Cu CoP气凝胶（未显示）呈绿色至绿灰色。Si-Cu IMP气凝胶外观呈斑驳状，可见红色、黄色和绿色（图2b）。Si-Cu NP气凝胶为整体结构，其颜色随纳米颗粒重量百分比的不同而变化，且在同一模具的不同孔位间也存在差异，表明模具不同位置的加工条件存在一定程度的不均一性10。例如，由3 wt%的Cu+2分散液制备并在同一批次中处理的Si-Cu NP气凝胶整体块体呈现黄色、紫色、粉色（...

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讨论

本文展示了RSCE方法在催化气凝胶制备以及UCAT系统在验证催化性能方面的应用价值。相较于其他方法，这些方案的主要优势在于RSCE气凝胶制备速度快，以及UCAT催化测试方法相对经济实惠。

可通过多种方法制备待萃取的凝胶，包括将金属盐浸渍到氧化铝或二氧化硅湿凝胶基质中、将金属盐与铝盐作为共前驱体共同引入，以及将含金属的纳米颗粒掺入二氧化硅气凝胶中。当湿凝胶孔隙中仅含有醇和水（即二氧化硅方案）时，无需进行溶剂置换。在此情况下，可将液态前驱体混合物直接倒入金属模具中，凝胶化和萃取过程均在热压过程中完成，如Carroll等先前研究所示。17 并且在本实验方案中用于制备硅-铜纳米颗粒气凝胶（Si-Cu NP aerogels）。我们采用稍长时间的热压过程，以确保在取出前凝胶已在模具内形成。在此方法中，该配方在常温条件下即可发生凝胶化。 <4小时为宜。或者，可采用RSCE法从预凝胶化的整体材料样品中提取溶剂。6,11 或更...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

催化气凝胶合成方法的开发由美国国家科学基金会（NSF）资助，项目编号为 DMR-1206631。UCAT 的设计与建造由美国国家科学基金会（NSF）资助，项目编号为 CBET-1228851。额外资金由联合学院教师研究基金提供。作者还感谢 Zachary Tobin、Aude Bechu、Ryan Bouck、Adam Forti 和 Vinicius Silva 所做的贡献。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
可调微量移液器，100-1000 µL由 Eppendorf 生产，Fisher Scientific 公司销售，网址 www.fishersci.comS304665任何 100-1000 µL 移液器均可使用。
可调移液器，2.5-10 mL由 Eppendorf 生产，Fisher Scientific 公司销售，网址 www.fishersci.com21-379-25任何可调移液器均可使用。
巴斯德移液管FisherScientific13-678-6A
注射器购自 Fisher ScientificZ181390 注射器配 Z261297 针头
电子天平OHaus Explorer Pro任何电子天平均可使用。
烧杯购自 Fisher Scientific任何玻璃烧杯均可使用。
量筒购自 Fisher Scientific任何玻璃量筒均可使用。
磁力板/搅拌器FisherScientific IsotempSP88854200P任何磁力板/搅拌器均可使用。
超声波清洗机FisherScientific FS6153356任何超声波破碎仪均可使用。
模具自制使用冷轧钢或不锈钢加工制造。
液压热压机Tetrahedron 公司，网址 www.tetrahedronassociates.comMTP-14任何具备温度和压力控制功能的热压机均可使用。最高温度需达到约 550 °F，最大压力需达到 24 吨。
UCAT（联合催化试验平台）自制详见参考文献 #21：  Bruno, B.A., Anderson, A.M., Carroll, M.K., Brockmann, P., Swanton, T., Ramphal, I.A., Palace, T. 气凝胶催化剂的台式规模测试。SAE 技术论文 2016-01-920 (2016)。
Bar 97 气体PraxairMS_BAR97ZA-D7

参考文献

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