合成和金插在介孔二氧化硅的墙壁催化性能
2015年7月9日
在这里，我们提出了一个采用溶胶-凝胶工艺合成嵌入介孔材料 （GMS） 壁中的金的方案，该方案被证实具有介孔基质，金嵌入壁中，具有极高的稳定性和可回收性。
该程序的总体目标是合成新型催化材料，其中纳米金嵌入了介孔二氧化硅的壁中。这是通过首先添加表面活性剂形成我的细胞来实现的，表面活性剂充当形成介孔二氧化硅的模板。然后将硅源和表面改性剂添加到溶液中，然后逐滴添加金前驱体以产生纳米金颗粒。
搅拌 24 小时后，将溶液转移到烘箱中进行水热处理。在水热处理过程中，二氧化硅聚合形成其介孔结构，金前驱体开始在纳米尺度上生长。最后一步是煅烧材料以去除任何残留的表面活性剂并获得明确的介孔结构。
最终，菲兹吸收、X 射线衍射和透射电子显微镜用于表明金纳米颗粒被嵌入到介孔多孔二氧化硅的明确壁中。这种方法相对于其他方法（例如直接沉淀）的主要优点是这里合成的材料非常热稳定。通常，刚接触这种方法的人会很费力，因为成功的合成需要对温度和溶液条件进行过程控制。
纳米技术被定义为尺寸状态，即材料特性随颗粒尺寸变化而变化的纳米级状态。在这种情况下，我们谈论的是金纳米颗粒，而金也是一种容易熔化的软金属。因此，我们可以证明的关于增加金热稳定性的原理证明应该适用于所有金属系统。
要开始制备嵌入中孔二氧化硅或 GMS 壁中的金，请加入 2.0 克 P 1 23 至 75 毫升两摩尔盐酸溶液。在室温下，对溶液进行磁力搅拌。以每分钟 350 转的速度直到 P 1 23 完全溶解，溶液将是透明的。
在一个小瓶中加入 4 克 TEOS，然后加入 180 微升 T-E-S-P-T-S。缓慢摇动小瓶，将两种化学品混合在另一个小瓶中，将 38 毫克氯尿酸溶解在一毫升去离子水中。在热电偶控制温度的油浴中将 P 1 23 溶液温度升高至 35 摄氏度。
然后将所有 TEOS 和 T-E-S-P-T-S 混合物添加到 P 1 23 溶液中，并保持溶液以每分钟 700 转的剧烈磁力搅拌。溶液搅拌 2 分钟后，在 30 秒内滴加所有准备好的氯 ORIC 酸溶液。在 35 摄氏度下以每分钟 700 转的速度搅拌溶液 24 小时。
24 小时后，将溶液转移到密封瓶中，并在 100 摄氏度的烘箱中储存 72 小时。这称为水热处理。水热处理后，用 1 号滤纸和漏斗下的负压过滤溶液。
然后用水洗涤样品 2 次，用乙醇洗涤 3 次，以去除剩余的盐酸。在每次洗涤过程中，在固体上方 1 厘米处加入水或乙醇，等待材料干燥。将沉淀物从过滤转移到陶瓷坩埚中，然后在炉中煅烧。
将斜坡程序设置为从 25 摄氏度增加到 550 摄氏度，持续 2 小时，并保持 550 摄氏度，持续 4 小时。然后让样品留在炉中，关上门，直到温度降至 40 摄氏度以下。煅烧后，用塑料刮刀将产品转移到玻璃瓶中，合成的材料通过苯并醇的氧化而呈红色。
作为基准反应，GMS 材料经过测试并显示出高选择性和可回收性。由于苯并醇的氧化是液相反应，无需单独的溶剂，因此将 5 毫升苯并醇转移到 25 毫升的三颈烧瓶中。然后将 10 毫克 GMS 催化剂添加到苯并醇中。
在 100 摄氏度设置一个带有磁力搅拌的温控油浴。确保反应温度的准确和均匀控制。将装有苯甲醇和催化剂的培养瓶放入油浴中，以每分钟 150 转的速度搅拌。
以每分钟 2 毫升的速度将纯度为 99.9% 的氧气流入培养瓶中，由质量流量控制器控制。当油浴温度达到 100 摄氏度并稳定下来时，将氧气引入三颈烧瓶中。保持氧气流速和温度恒定，让反应进行 6 小时。
反应后，用 1 号滤纸过滤产物。收集液相并转移到气相色谱样品瓶中，将样品瓶中的四份 HPLC 级乙酸混合。对于每个单组分样品，将样品瓶放在气相色谱仪自动进样器上进行分析。
用去离子水洗去滤纸上的固体沉淀物，然后用乙醇洗去沉淀物，然后用刮刀风干沉淀物。收集干燥的固体，即回收的催化剂。在每次重复中，使用回收的催化剂重复此过程 3 次，调整苯并醇的量以使回收催化剂的量保持相同的比例。
称量合成 GMS 商店的三个单独的 300 毫克份量。玻璃瓶中合成的 GMS 部分标记为第 1 批、第 2 批和第 3 批。第一批次将作为对照组，而第二批次和第三批次将进行热处理。
对炉子进行编程，使其在 0.5 小时内从 25 摄氏度升至 400 摄氏度，然后将 400 摄氏度保持 4 小时。将第二批放入坩埚中，然后启动程序，让样品留在炉中，关上炉门，直到温度降至 40 摄氏度以下。对于第三批，对炉子进行编程，使其在 0.75 小时内从 25 摄氏度上升到 650 摄氏度，并保持 650 摄氏度 4 小时。
将批次 3 放入坩埚中，然后像以前一样启动程序。让样品留在炉中，关上门，直到 FIZ 吸收仪上的温度降至 40 摄氏度以下。DGA 将 GMS 材料在 90 摄氏度下放置 60 分钟，然后在 350 摄氏度下放置 480 分钟。
对 DGA 材料进行完整的等温线分析，以获得泡沫吸收数据。将 GMS 样品分散在 200 目全碳透射电子显微镜或 TEM 网格上，并在透射电子显微镜下观察样品。还要按照文本协议中的说明使用铜 K α 辐射运行 X 射线衍射。
GMS 的 TEM 图像显示，二氧化硅基质形成了具有稳定壁的清晰长通道。孔径被确定为约 5 纳米，形状为六边形，这是中孔二氧化硅的典型特征。将 BET fiz 吸收、无金夹合的二氧化硅基质的等温线与含金且夹在壁中的 GMS 的等温线进行比较，表明两种材料之间没有显着差异。
它们都显示了介孔多孔材料的典型形状，带有磁滞回线，表明金结合没有对孔隙结构造成任何改变。还显示了 BET 孔结构和 BJH 不同温度下 GMS 材料煅烧的不良分布。高温煅烧不会改变介孔硅基体。
此外，在高达 650 摄氏度的温度处理后，孔隙结构和孔隙分布保持不变，表明金没有聚集和堵塞孔隙。通过不同温度下 GMS 材料煅烧的衍射图，通过 X 射线衍射进一步验证了金在 GMS 中的热稳定性。峰位置、峰强度和峰宽未因煅烧过程而发生任何变化，表明金颗粒的大小或形态没有变化。
一位大师，如果执行得当，这项技术可以在 120 小时内完成。在尝试这种合成时，精确控制反应条件很重要，因为模板剂对 pH 温度和浓度的微小变化很敏感这项技术的实现为研究人员提供了一种范式，通过该范式，我们可以赋予催化剂系统热稳定性。目前，这正在生物质升级系统和广泛的可再生能源技术组合的 antico 技术中实施。
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概述
本文介绍了一种使用溶胶-凝胶工艺在介孔材料壁中合成金嵌入物（GMS）的协议。所得材料具有介孔基质，壁中嵌入金，提供了增强的稳定性和可回收性。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 纳米技术
- 催化
背景
- 介孔二氧化硅作为创造新型催化材料的模板。
- 金纳米粒子可以增强介孔材料的催化性能。
- 溶胶-凝胶工艺允许对材料结构进行精确控制。
- 稳定性和可回收性对于催化材料的实际应用至关重要。
研究目的
- 合成具有嵌入介孔二氧化硅中金的新型催化材料。
- 提高这些材料的稳定性和可回收性。
- 探索这些材料在催化中的潜在应用。
使用的方法
- 使用表面活性剂作为模板形成细胞。
- 添加硅源和表面修饰剂。
- 逐滴添加金前体以创建纳米金粒子。
- 水热处理以聚合二氧化硅并在纳米尺度上生长金。
主要结果
- 合成的材料表现出明确定义的介孔结构。
- 金嵌入有助于材料的稳定性。
- 可回收性测试显示出对实际应用的有希望的结果。
- 该协议允许重复合成这些材料。
结论
- 溶胶-凝胶工艺对于合成金嵌入介孔材料是有效的。
- 这些材料在催化应用中具有重要潜力。
- 进一步的研究可以探索额外的修改以增强性能。
常见问题
Executive Industry Relevance
Gold nanoparticles intercalated in mesoporous silica (GMS) offer a robust platform for catalysis, addressing the challenge of thermal instability in nanocatalysts. This synthesis enables high selectivity and recyclability, supporting predictive confidence in catalyst performance for early-stage R&D. The approach is relevant for portfolio strategies seeking durable, reusable catalytic systems for chemical transformations.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of catalytic mechanisms under controlled, thermally stable conditions.
- Supports functional validation of nanomaterial-based catalysts for chemical biology workflows.
- Facilitates predictive assessment of catalyst durability and selectivity in model reactions.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible, structurally stable catalyst platform for quantitative reaction screening.
- Ensures assay standardization through robust material properties and consistent performance.
- Enables reliable evaluation of catalyst recyclability and selectivity across multiple cycles.
Translational & Preclinical Research
- Demonstrates continuity from material synthesis to application in benchmark catalytic reactions.
- Supports risk-adjusted advancement of nanocatalyst systems for broader chemical process development.
- Offers mechanistic de-risking by maintaining catalyst structure and function under operational stress.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-application continuum, from catalyst synthesis and validation to deployment in model chemical transformations.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of nanocatalyst stability and function in controlled systems.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for catalyst performance and recyclability.
- Analytics: Utilizes gas chromatography and structural characterization to compare catalyst batches and conditions.
- Translational Research: Provides a foundation for extending catalyst use to new chemical processes with predictable outcomes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, thermally stable catalyst platform for diverse R&D applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in catalyst performance and stability.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of catalyst synthesis and use.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions for advancing nanocatalyst platforms in the R&D pipeline.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of robust catalytic systems for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in sol-gel chemistry and nanomaterial synthesis.
- Demands precise control of temperature, pH, and reagent concentrations for reproducibility.
- Needs access to analytical infrastructure such as TEM, XRD, and gas chromatography.
- Standardization across batches is critical for cross-team comparability.
- Process sensitivity to minor condition changes may limit adaptation to some model systems.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:05
Preparation of GMS
4:40
Catalytic Reaction, Oxidation of Benzyl Alcohol
6:39
Thermal Treatment of GMS for Testing of Thermal Stability and Characterization of GMS Materials
8:29
Results: Characterization of GMS Indicates Gold Particles Are Intercalated in the Walls of the Silica Matrix
10:10
Conclusion
