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。
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本文内容
摘要
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....
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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。
- 准备试剂及其他用品
- 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。
- 准备所需用品：洁净且干燥的烧杯（两个 250 mL）；洁净、干燥....
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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
| 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.com | S304665 | 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.com | 21-379-25 | 任何可调移液器均可使用。 |
| 巴斯德移液管 | FisherScientific | 13-678-6A | |
| 注射器 | 购自 Fisher Scientific | Z181390 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 Isotemp | SP88854200P | 任何磁力板/搅拌器均可使用。 |
| 超声波清洗机 | FisherScientific FS6 | 153356 | 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.com | MTP-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 | Praxair | MS_BAR97ZA-D7 |
参考文献
- Aegerter, M. A., Leventis, N. Aerogels Handbook. Koebel, M. M. , Springer. New York, New York, USA. (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chem. Rev. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Schneider, M., Baiker, A.
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重印与许可
