Name: 在环境环境中制备具有或不具有介孔MCM-41的超细氢氧化铝颗粒 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-05-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 50 s
Description: 了解利用L-精氨酸作为温和碱源合成稳定超细氢氧化铝纳米颗粒的绿色方法。该技术解决了颗粒团聚问题，为材料科学应用提供了可持续的纳米颗粒制备途径。

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作者感谢罗格斯大学的 Thomas J. Emge 博士和 Wei Liu 在小角 X 射线衍射和粉末 X 射线衍射分析与专业知识方面提供的支持。此外，作者还感谢 Hao Wang 在 N2 吸附实验中提供的帮助。

1. Al(OH)3 纳米颗粒的合成
<ol>
	<li>将1.40 g六水合氯化铝溶解于5.822 g去离子水中。</li>
	<li>在磁力搅拌条件下，将2.778 g L-精氨酸加入氯化铝水溶液中。需缓慢加入L-精氨酸，以确保其充分溶解，避免形成大块团聚物；此外，缓慢加入有助于降低局部碱性浓度，从而实现更可控的水解过程。</li>
	<li>待所有精氨酸完全溶解后，将溶液在50 °C下加热反应72 h；此时溶液可能呈现浑浊的悬浮状态。</li>
</ol>
2. 使用 NaCl 沉淀 Al(OH)3
<ol>
	<li>准备一根长49英寸、直径1.125英寸的凝胶渗透色谱（GPC）柱。分步加入凝胶，并让水流通过色谱柱，以确保凝胶填充紧密，凝胶颗粒之间空隙最小。将凝胶填充至色谱柱体积的约80%；每次填充的凝胶量可能不同，仅影响分离组分的保留时间。</li>
	<li>使用配备10 mL进样环的高效液相色谱（HPLC）泵，将10 mL新合成的Al(OH)3纳米粒子悬浮液（按步骤1.3制备）注入色谱柱。使用外径约0.125英寸的管路自行制作进样环，并校准其长度，确保可准确注入10 mL样品。</li>
	<li>根据示差折光（dRI）检测器峰的位置，分段收集色谱柱的洗脱液。将GPC的出口连接至示差折光指数（dRI）检测器的入口。 
	注意：当分离的组分从GPC柱中流出时，会在dRI检测器上呈现为峰，随后被收集到125 mL的瓶中。GPC柱产生两个分辨良好的峰，均需收集，并通过尺寸排阻色谱（SEC）和元素分析（EA）进行分析，以区分精氨酸与铝物种。收集的总体积取决于GPC柱的尺寸、所用填充材料的总量以及用于洗脱色谱柱的去离子水的流速。
	<ol>
		<li>在0.2 mL/min的流速下，持续100分钟收集主峰1组分的大部分洗脱液。</li>
		<li>当GPC柱的RI检测器出现峰时，以30分钟为间隔收集洗脱液。 
		注意：改变收集时间间隔会影响最终纯化峰1组分的浓度和纯度。建议初始阶段采用较短的收集间隔，以确定特定色谱柱中峰1组分浓度和纯度最高的部分。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>配制1 wt%的NaCl溶液。</li>
	<li>将配制好的NaCl溶液逐滴加入10 mL纯化的Al(OH)3纳米粒子中；通过NaCl沉淀法制备的材料不用于后续实验。</li>
</ol>
3. Al-MCM-41 的制备
<ol>
	<li>在真空烘箱中，将约1.0 g的MCM-41于120 °C下活化3小时。</li>
	<li>通过将9.6926 g的AlCl3·6H2O与40.3074 g的去离子水混合，配制50.0 g的氯化铝溶液。</li>
	<li>将0.7 g活化后的MCM-41加入50.0 g的氯化铝溶液中（步骤3.2中制备）。</li>
	<li>充分搅拌（1小时），确保AlCl3在MCM-41孔道内均匀扩散。</li>
	<li>在磁力搅拌下，向该非均相混合物中加入L-精氨酸，使Arg/Al的摩尔比达到2.75。与步骤1.2类似，需缓慢加入精氨酸，使瞬间形成的絮状物能够重新溶解，减少加料过程中精氨酸的结块现象。</li>
	<li>待混合物变为均相后，在50 °C下加热72小时。</li>
	<li>使用布氏漏斗在减压条件下抽滤所得的非均相溶液，并配备直径90 mm的定性滤纸圆片（或其他合适的滤纸）。</li>
	<li>用过量的去离子水洗涤滤得的白色粉末，以彻底去除未反应的氯化铝、精氨酸或生成的水溶性副产物。</li>
</ol>

<ol><li>Laden, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLaden%2C+K+%22Antiperspirants+and+Deodorants%22">Antiperspirants and Deodorants</a>. , 2nd, Marcel Dekker, Inc. New York. (1999).</li>
<li>Kumara, C. K., Ng, W. J., Bandara, A., Weerasooriya, R. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20884000">Nanogibbsite: Synthesis and characterization.</a> J. Colloid Interface Sci. 352 (2), 252-258 (2010).</li>
<li>Demichelis, R., Noel, Y., Ugliengo, P., Zicovich-Wilson, C. M., Dovesi, R. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp200523x">Physico-Chemical Features of Aluminum Hydroxides As Modeled with the Hybrid B3LYP Functional and Localized Basis Functions.</a> J.Phys. Chem. C. 115 (27), 13107-13134 (2011).</li>
<li>Elderfield, H., Hem, J. D. <a target="_blank" href="http://www.minersoc.org/pages/Archive-MM/Volume_39/39-301-89.pdf">The development of crystalline structure in aluminum hydroxide polymorphs on ageing.</a> Mineral. Mag. 39, 89-96 (1973).</li>
<li>Wang, S. L., Johnston, C. T. <a target="_blank" href="http://ammin.geoscienceworld.org/content/85/5-6/739">Assignment of the structural OH stretching bands of gibbsite.</a> Am. Mineral. 85, 739-744 (2000).</li>
<li>Balan, E., Lazzer, M., Morin, G., Mauri, F. <a target="_blank" href="http://rruff.info/doclib/am/vol91/AM91_115.pdf">First-principles study of the OH-stretching modes of gibbsite.</a> Am. Mineral. 91 (1), 115-119 (2006).</li>
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<li>Langford, J. I., Wilson, A. J. C. <a target="_blank" href="http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?a16745">Scherrer after sixty years: a survey and some new results in the determination of crystallite size.</a> J. Appl. Cryst. 11 (2), 102-113 (1978).</li>
<li>Swaddle, T. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetic+Evidence+for+Five-Coordination+in+AlOH%28aq%292%2B+Ion%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Kinetic Evidence for Five-Coordination in AlOH(aq)2+ Ion.</a> Science. 308 (5727), 1450-1453 (2005).</li>
<li>Casey, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+Aqueous+Aluminum+Hydroxide+Molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Large Aqueous Aluminum Hydroxide Molecules.</a> Chem. Rev. 106 (1), 1-16 (2006).</li>
<li>Lutzenkirchen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433209018170">Adsorption of Al13-Keggin clusters to sapphire c-plane single crystals: Kinetic observations by streaming current measurements.</a> Appl. Surf. Sci. 256 (17), 5406-5411 (2010).</li>
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<li>Brunauer, S., Deming, L. S., Deming, W. E., Teller, E. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01864a025">On a Theory of the van der Waals adsorption of gases.</a> J. Am. Chem. Soc. 62 (7), 1723-1732 (1940).</li>
<li>Kresge, C. T., Leonowicz, M. E., Roth, W. J., Vartuli, J. C., Beck, J. S. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v359/n6397/abs/359710a0.html">Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism.</a> Nature. 359 (6397), 710-712 (1992).</li>
<li>Zeng, Q., Nekvasil, H., Grey, C. P. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp990726l">Proton Environments in Hydrous Aluminosilicate Glasses: A 1H MAS, 1H/27Al, and 1H/23Na TRAPDOR NMR Study.</a> J. Phys. Chem. B. 103 (35), 7406-7415 (1999).</li>
<li>Kao, H. M., Grey, C. P. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp953357b">Probing the Bronsted and Lewis acidity of zeolite HY: A 1H/27Al and 15N/27Al TRAPDOOR NMR study of mono-methylamine adsorbed on HY.</a> J. Phys. Chem. 100 (12), 5105-5117 (1996).</li>
<li>DeCanio, E. C., Edwards, J. C., Bruno, J. W. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021951784711870">Solid-state 1H MAS NMR characterization of γ-alumina and modified γ-aluminas.</a> J. Catal. 148 (1), 76-83 (1994).</li>
<li>Shafran, K. L., Deschaume, O., Perry, C. C. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/En/content/articlelanding/2005/jm/b505466d">The static anion exchange method for generation of high purity aluminium polyoxocations and monodisperse aluminum hydroxide nanoparticles.</a> J. Mater. Chem. 15 (33), 3415-3423 (2005).</li>
<li>Vogels, R. J. M. J., Kloprogge, J. T., Geus, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Homogeneous+forced+hydrolysis+of+aluminum+through+the+thermal+decomposition+of+urea%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Interface+Sci%22%5BJournal%5D)">Homogeneous forced hydrolysis of aluminum through the thermal decomposition of urea.</a> J. Colloid Interface Sci. 285 (1), 86-93 (2005).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

制备氯化铝水溶液时，使用了氯化铝的结晶六水合盐。尽管无水形式也可使用，但由于其显著的吸湿性，不推荐使用，因为这会使其难以操作并难以控制铝的浓度。值得注意的是，氯化铝溶液应在配制后数天内使用，因为随着时间推移，[Al(H2O)6]3+ 水合酸会发生水解，产生不希望的副产物，最终降低最终产物的总收率和纯度。本文所述的合成方法采用了不同浓度的铝（~0.8–3.1 wt% Al）。在较高铝浓度下，精氨酸的溶解度达到极限，因此合成无法按预期进行。另一方面，较低的铝浓度导致生成的纳米Al(OH)3浓度较小。以往的方法曾采用强碱（例如，NaOH）、通过分子分解提供碱源的物质（例如，尿素）以及离子交换树脂作为温和的氢氧根来源以促进水解1,18,19。据我们所知，此前尚未将氨基酸等有机分子用于氯化铝的水解。此外，通过氯化铝水解途径合成高纯度Al(O...

由氢氧化铝制成的材料是多种工业应用的有前景候选材料，包括催化、制药、水处理和化妆品。1,2,3,4 在较高温度下，氢氧化铝在分解生成氧化铝（Al₂O₃）的过程中会吸收大量热量。2O3），使其成为一种有效的阻燃剂。5 已知的四种氢氧化铝多晶型物（即，水铝矿、拜耳石、诺德斯特兰石和多伊尔石）已通过计算和实验技术进行了研究，以增进对其形成过程及结构的认识6纳米级颗粒的制备备受关注，因其可能表现出量子效应以及与体相材料不同的特性。在多种条件下均可轻松制备尺寸约为100 nm的纳米氢氧化铝颗粒。7,8,9,10,11,12,13,14.
克服进一步减小颗粒尺寸所固有的挑战十分困难，因此仅有少数情况下纳米水合硅酸铝颗粒的尺寸可达到约50 nm。14,15,16,17 据我们所知，目前尚未有关于粒径小于50 nm的纳米 gibbsite 颗粒的报道。部分原因在于，纳米颗粒由于静电不稳定，以及胶体颗粒之间（尤其是在极性质子溶剂中）极易形成氢键，因而倾向于发生团聚。我们的目标是合成小尺寸的 Al(OH)₃ 纳米颗粒。3 使用完全安全的成分和前体材料制备纳米颗粒。在本研究中，通过添加一种氨基酸抑制了水相中颗粒的聚集即，L-精氨酸）作为缓冲剂和稳定剂。此外，有报道称含胍基的精氨酸可抑制氢氧化铝颗粒的生长和聚集，从而得到平均粒径为10–30 nm的水相胶体悬浮液。本文提出，精氨酸的两性和两性离子特性在温和水解过程中中和了氢氧化铝纳米颗粒的表面电荷，从而抑制颗粒生长超过30 nm。尽管精氨酸无法将颗粒尺寸减小至10 nm以下，但通过利用 &#34;笼&#34; MCM-41介孔内的限域效应。对Al-MCM-41复合材料的表征显示，介孔二氧化硅内含有超细的氢氧化铝纳米颗粒，其平均孔径为2.7 nm。

<table><tbody><tr><td>六水合氯化铝</td><td>Alfa Aesar</td><td>12297</td><td></td></tr><tr><td>L-精氨酸</td><td>BioKyowa</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>氢氧化铝</td><td>Sigma Aldrich</td><td>239186</td><td></td></tr><tr><td>Bio-Gel P-4 凝胶</td><td>Bio-Rad</td><td>150-4128</td><td></td></tr><tr><td>介孔二氧化硅（MCM-41 型）</td><td>Sigma Aldrich</td><td>643645</td><td></td></tr></tbody></table>

在常温环境下简便制备超细氢氧化铝颗粒（含或不含介孔mcm-41）

Facile Preparation of Ultrafine Aluminum Hydroxide Particles with or without Mesoporous MCM-41 in Ambient Environments

通过向铝水合酸 [Al(H2O6]3+ 用L-arginine调节至pH 4.6。由于已知水合铝盐的水解会产生多种产物，且其尺寸分布范围广泛，因此采用多种先进的仪器（即， 27Al/1H NMR、FTIR、ICP-OES、TEM-EDX、XPS、XRD 和 BET）被用于表征合成产物并鉴定副产物。该产物由纳米颗粒（10–30 nm）组成，通过凝胶渗透色谱（GPC）柱技术分离获得。傅里叶变换红外（FTIR）光谱和粉末X射线衍射（PXRD）鉴定出纯化后的材料为氢氧化铝的吉布斯石多晶型。无机盐的添加（例如，NaCl）引起的悬浮液静电失稳，从而使纳米颗粒聚集，生成Al(OH)3 沉淀物具有较大的颗粒尺寸。通过采用此处所述的新型合成方法，Al(OH)3 部分负载于具有高度有序介孔结构的MCM-41内部，其平均孔径为2.7 nm，生成一种同时含有八面体和四面体Al(Oh/d = 1.4）。通过能量色散X射线光谱法（EDX）测得的总铝含量为11%（w/w），硅铝摩尔比为2.9。体相EDX与表面X射线光电子能谱（XPS）元素分析的比较揭示了铝在铝硅酸盐材料中的分布情况。此外，材料外表面的硅铝比（3.6）高于体相（2.9）。对氧铝比（O/Al）的估算表明，Al(O)浓度较高3 和 Al(O)4 分别位于核心和外表面附近的基团。新开发的Al-MCM-41合成方法在保持有序二氧化硅骨架完整性的前提下，实现了相对较高的铝含量，可用于需要水合或无水铝的应用场景。2O3 纳米颗粒具有优势。

纳米吉布斯石的合成
通过将 L-精氨酸滴定至 AlCl3·6H2O（14 wt%）中，制备了纳米吉布bsite，最终 Arg/Al 摩尔比为 2.75。纳米吉布bsite颗粒的合成过程通过SEC进行监测，SEC 是一种广泛用于部分水解氯化铝溶液分析的技术，能够区分五个被任意指定为峰 1、2、3、4 和 5 的组分区域1。本文报道，粒径为 10–30 nm 的纳米吉布bsite颗粒是典型 SEC 分析中峰 1 区域洗脱出的各种潜在结构的组成部分。据我们所知，目前文献中尚未描述在 SEC 峰 1 区域内洗脱的分子的鉴定结果。粉末 X 射线衍射（PXRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）实验能够明确鉴定出 Al(OH)3 结构。从 GPC 柱中洗脱得到一种透明的 Al(OH)3 悬浮液，纯度达 99%（基于铝含量...

通过将[Al(H2O)]3+与L-精氨酸在介孔MCM-41的笼效应限域内及无限域条件下控制滴定至pH 4.6，制备出超细氢氧化铝纳米颗粒悬浮液。

在常温环境下简便制备超细氢氧化铝颗粒（含或不含介孔MCM-41）

通过将铝水合酸 [Al(H2O)6]3+ 与 L-精氨酸滴定至 pH 4.6，合成了纳米水合氧化铝的水悬浮液。由于水解……

本实验的总体目标是开发一种绿色环保的方法，用于简便合成稳定的超细氢氧化铝颗粒，该颗粒可有效将氢氧化铝或氧化铝引入多种不同材料中。新开发的合成方法通过使用精氨酸作为温和的碱源，生成一种新型的超细氢氧化铝相。该技术的主要优势在于采用精氨酸（一种可食用的碱性氨基酸）中和氯化铝，从而形成超细氢氧化铝并实现颗粒的稳定化。我们解决了团聚问题。制备稳定超细氢氧化铝的能力为深入的结构与机理研究铺平了道路，有助于进一步理解铝单体水解形成块状氢氧化铝的过程。本次实验操作将由我们的实习生 Viktor Dubovoy 进行演示。开始此操作时，将1.4克六水合氯化铝溶解于5.822克去离子水中。在磁力搅拌下缓慢加入2.778克L-精氨酸。待L-精氨酸完全溶解后，将溶液在50摄氏度下加热72小时。然后，通过分步加入凝胶并让水流过层析柱，以充分填装凝胶，从而制备凝胶渗透层析柱，确保填装均匀。将凝胶填装至层析柱体积的约80%。接下来，使用配备10 ml进样环的高效液相色谱泵，将10 ml合成的超细氢氧化铝悬浮液注入层析柱中。在100分钟内收集主峰1组分的大部分。一旦LI检测器上出现峰，以30分钟为间隔收集LU末端组分。此后，将1 wt%的氯化钠溶液逐滴加入10 ml纯化的超细氢氧化铝中，以诱导沉淀。首先，使用真空烘箱在真空条件下于 120 摄氏度活化 1 克 MCM-41，持续 3 小时。接着，将 9.6926 克六水合氯化铝与 40.3074 克去离子水混合。向该氯化铝溶液中加入 0.74 克活化后的 MCM-41。混合一小时，以确保氯化铝在MCM-41孔道内充分扩散并分布均匀。在搅拌条件下缓慢加入L-精氨酸，使最终精氨酸与铝的摩尔比为2.75。待混合均匀后，于50摄氏度加热72小时。此后，使用带有定性90 mm滤纸圆片的布氏漏斗，在减压条件下过滤该溶液。用过量的去离子水洗涤所得的铝基MCM-41材料。在本研究中，通过用L-精氨酸滴定铝水合酸，制备出超细氢氧化铝悬浮液。对制备的铝掺杂MCM-41材料进行魔角旋转及磁共振分析，结果显示存在八面体和四面体铝环境，这在介孔二氧化硅修饰的铝物种中常见。体相和表面元素组成数据表明，大部分铝已进入孔道内部，而非在表面富集。在负载铝前后均测定了小角X射线衍射图谱，并基于六方对称性进行指标化。在两种样品中均观察到100、110和200晶面的衍射峰，表明铝的引入对MCM-41的高度有序孔隙结构没有显著影响。铝掺杂MCM-41颗粒的透射电子显微镜分析显示，负载氢氧化铝颗粒后，二氧化硅骨架仍保持完整。该技术可 feasibly 扩大规模，用于合成商业量级的超细氢氧化铝或铝功能化高端材料。这种酸合成方法不仅可应用于氢氧化铝，还可拓展至其他金属氧化物，在药物递送、催化以及个人护理产品领域具有广泛的应用前景。之所以重复合成氨基酸，是为了获得相同的纯度和产率。

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在环境环境中制备具有或不具有介孔MCM-41的超细氢氧化铝颗粒

采用硅氧烷前驱体的酸催化及微波辅助合成技术制备二氧化硅纳米颗粒，实现了对粒径范围为30-250...

通过微波辅助酸催化法制备二氧化硅纳米颗粒

本文描述了在微孔材料（如金属有机框架）上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积全氟烷烃以提高其稳定性和疏水性的步骤。此外，还详细介绍了毫克级样品的穿透测试方法。...

通过等离子体增强化学气相沉积全氟烷烃制备疏水金属有机框架用于氨气去除

本文介绍了一种快速制备高质量仿生纳米羟基磷灰石的新方法。该生物材料在骨科、颅面外科和牙科等临床应用领域的多种创新医疗器械制造中具有重要意义。...

用于生物医学应用的仿生纳米羟基磷灰石快速混合法制备

介绍了一种通过同步多表面阳极氧化结合阶梯状反向偏压剥离法制备纳米多孔阳极氧化铝的方案。该方法可重复应用于同一铝基底，展现出一种简便、高产且环境友好的策略。...

硫酸与草酸电解液中阳极氧化铝的同步多表面阳极氧化及阶梯状反向偏压剥离

本文描述了通过正磷酸（H3PO4）与铝纳米粉末反应合成可燃性磷酸铝基体的方法。当该反应在三氧化钨纳米粉末存在下以过量铝进行时，可生成一种固态、多孔的纳米铝热剂泡沫材料。...

具有蛋白酥皮状形貌的纳米热剂：从松散粉末到超多孔物体

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。...

通过快速超临界萃取法制备和测试催化气凝胶

金属有机框架材料在气体储存和多相催化方面具有高效性，但传统的合成方法通常得到松散的粉末，难以整合到智能材料中。我们展示了一种方法：首先通过原子层沉积（ALD）在织物上涂覆金属氧化物，随后在溶剂热合成过程中，可在织物表面形成保形的金属有机框架（MOF）薄膜。...

在纤维垫上原子层沉积金属氧化物涂层后通过溶热法合成MIL-96和UiO-66-NH2

目标合成新的金属有机框架（MOFs）具有挑战性，其发现依赖于化学家的知识与创造力。高通量方法能够快速高效地探索复杂的合成参数空间，从而加速结晶化合物的发现，并促进合成与结构规律的识别。...

利用高通量方法发现并优化基于异网状Al(III)膦酸盐的金属-有机框架化合物的合成

本方案介绍了利用聚合物接枝的金属有机框架（MOF）晶体合成与表征自组装MOF单层膜的方法。该方法表明，聚合物接枝的MOF颗粒可在气-水界面自组装，形成结构完整、可自由支撑的单层结构，扫描电子显微镜成像结果证实了这一点。...

利用聚合物包覆颗粒合成与表征自组装金属-有机框架单层

本方案详细描述了用于氧气递送的分级多孔UiO-66纳米粒子的合成、血红蛋白封装及表面聚乙二醇化。该方法结合缺陷工程与应变促进的生物正交偶联，以制备高通透性且生理稳定性良好的载体，适用于生物医学应用。...

用于氧气输送的分级多孔UiO-66纳米颗粒的合成、血红蛋白封装及生物正交PEG化

了解利用L-精氨酸作为温和碱源合成稳定超细氢氧化铝纳米颗粒的绿色方法。该技术解决了颗粒团聚问题，为材料科学应用提供了可持续的纳米颗粒制备途径。

在常温环境下简便制备超细氢氧化铝颗粒（含或不含介孔MCM-41）

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