Eine ultrafeine Aluminiumhydroxid-Nanopartikel-Suspension wurde über die kontrollierte Titration von [Al (H 2 O)] 3+ mit L-Arginin auf pH 4,6 mit und ohne Käfigeffekt-Confinement in mesoporösen Kanälen von MCM-41 hergestellt.
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Methodenartikel
Facile Vorbereitung von ultrafeinen Aluminiumhydroxidpartikeln mit oder ohne mesoporösem MCM-41 in Umgebungsbedingungen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Eine wässrige Suspension von Nanogibbsit wurde über die Titration von Aluminium-Aqua-Säure [Al (H 2 O) 6 ] 3+ mit L-Arginin auf pH 4,6 synthetisiert. Da die Hydrolyse von wässrigen Aluminiumsalzen bekannt ist, eine breite Palette von Produkten mit einer breiten Palette von Größenverteilungen herzustellen, wurde eine Vielzahl von hochmodernen Instrumenten ( dh 27 Al / 1 H NMR, FTIR, ICP-OES) , TEM-EDX, XPS, XRD und BET) wurden zur Charakterisierung der Syntheseprodukte und zur Identifizierung von Nebenprodukten verwendet. Das Produkt, das aus Nanopartikeln (10-30 nm) bestand, wurde mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) Säulentechnik isoliert. Fourier Transformation Infrarot (FTIR) Spektroskopie und Pulver Röntgenbeugung (PXRD) identifiziert das gereinigte Material als Gibbsit Polymorph von Aluminiumhydroxid. Die Zugabe von anorganischen Salzen ( zB NaCl) induzierte eine elektrostatische Destabilisierung der Suspension, wodurch die Nanopartikel zu yie agglomeriert wurdenLd Al (OH) 3 mit großen Teilchengrößen ausfallen. Unter Verwendung des hier beschriebenen neuartigen Syntheseverfahrens wurde Al (OH) 3 teilweise in das hochgeordnete mesoporöse Gerüst von MCM-41 mit mittleren Porenabmessungen von 2,7 nm geladen, wodurch ein Aluminosilikatmaterial mit sowohl oktaedrischem als auch tetraedrischem Al (O h / T d = 1,4). Der Gesamt-Al-Gehalt, gemessen unter Verwendung der energiedispersiven Röntgenspektrometrie (EDX), betrug 11% G / G mit einem Si / Al-Molverhältnis von 2,9. Ein Vergleich von Massen-EDX mit Oberflächen-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) Elementaranalyse lieferte Einblick in die Verteilung von Al innerhalb des Aluminosilikatmaterials. Weiterhin wurde ein höheres Verhältnis von Si / Al auf der äußeren Oberfläche (3.6) im Vergleich zur Masse (2.9) beobachtet. Approximationen von O / Al-Verhältnissen deuten auf eine höhere Konzentration von Al (O) 3 und Al (O) 4- Gruppen nahe dem Kern bzw. der äußeren Oberfläche hin. Die neu entwickelte Synthese von Al-MCM-41 ergibt eine Re-Licht hoher Al-Gehalt unter Beibehaltung der Integrität des geordneten Siliciumdioxidgerüsts und kann für Anwendungen verwendet werden, bei denen hydratisierte oder wasserfreie Al 2 O 3 -Nanopartikel vorteilhaft sind.
Einleitung
Materialien aus Aluminiumhydroxid sind vielversprechende Kandidaten für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen, einschließlich Katalyse, Pharma, Wasseraufbereitung und Kosmetik. 1 , 2 , 3 , 4 Bei erhöhten Temperaturen absorbiert Aluminiumhydroxid eine wesentliche Menge an Wärme während der Zersetzung, um Aluminiumoxid (Al & sub2; O & sub3; ) zu ergeben, was es zu einem nützlichen flammhemmenden Mittel macht. 5 Die vier bekannten Polymorphe von Aluminiumhydroxid ( dh Gibbsit, Bayerit, Nordstrandit und Doyleit) wurden unter Verwendung von rechnerischen und experimentellen Techniken untersucht, um unser Verständnis der Entstehung und Strukturen zu verbessern 6 . Die Herstellung von nanoskaligen Partikeln ist aufgrund ihres Potentials, Quanteneffekte und Eigenschaften zu zeigen, die sich von denen der Thei unterscheiden, von besonderem InteresseR Bulk-Pendants. Nanogibbsit-Partikel mit Abmessungen in der Größenordnung von 100 nm werden unter verschiedenen Bedingungen 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 leicht hergestellt.
Die Überwindung von inhärenten Herausforderungen, die mit der Verringerung der Partikelgrößen verbunden sind, ist schwierig; Daher gibt es nur wenige Fälle, wo Nanogibbsit-Partikel Dimensionen in der Größenordnung von 50 nm haben. 14 , 15 , 16 , 17 Nach unserem besten Wissen gab es keine Berichte über Nanogibbsit-Partikel kleiner als 50 nm. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass Nanopartikel aufgrund elektrostatischer Instabilität dazu neigen, zu agglomerierenUnd die hohe Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen den kolloidalen Partikeln, insbesondere in polaren protischen Lösungsmitteln. Unser Ziel war es, kleine Al (OH) 3 Nanopartikel unter Verwendung von ausschließlich sicheren Zutaten und Vorläufern zu synthetisieren. In der gegenwärtigen Arbeit wurde die wässrige Teilchenaggregation durch Einbringen einer Aminosäure ( dh L-Arginin) als Puffer und Stabilisator gehemmt. Darüber hinaus wird berichtet, dass das Guanidinium-haltige Arginin das Wachstum von Aluminiumhydroxid und die Aggregation verhinderte, um eine wässrige kolloidale Suspension mit durchschnittlichen Teilchengrößen von 10-30 nm zu ergeben. Es wird hier vorgeschlagen, dass die amphoteren und zwitterionischen Eigenschaften von Arginin die Oberflächenladung von Aluminiumhydroxid-Nanopartikeln während der milden Hydrolyse verminderten, um das Partikelwachstum über 30 nm zu verhindern. Obwohl Arginin nicht in der Lage war, die Teilchengröße unter 10 nm zu reduzieren, wurden solche Teilchen erreicht, indem der Vorteil des "Käfig" -Entwicklungseffekts ausgenutzt wurdeHin die mesoporen von MCM-41. Die Charakterisierung des Al-MCM-41-Verbundwerkstoffs ergab ultrafeine Aluminiumhydroxid-Nanopartikel innerhalb des mesoporösen Siliciumdioxids, das eine mittlere Porengröße von 2,7 nm aufweist.
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Protokoll
1. Al (OH) 3 Nanopartikel-Synthese
- 1.40 g Aluminiumchloridhexahydrat in 5.822 g entionisiertem Wasser auflösen
- 2.778 g L-Arginin zu der wässrigen Aluminiumchloridlösung unter magnetischem Rühren zugeben. Füge das L-Arginin langsam hinzu, so dass sich das hinzugefügte Arginin auflöst und keine großen Klumpen oder Klumpen bildet; Darüber hinaus reduziert eine langsame Zugabe lokale Konzentrationen der Alkalinität und liefert Bedingungen für eine kontrollierbarere Hydrolyse.
- Sobald sich das Arginin in die Lösung auflöst, erhitze man die Lösung für 72 h bei 50 ° C; An dieser Stelle kann die Lösung als trübe Suspension erscheinen.
2. Präzipitieren von Al (OH) 3 mit NaCl
- Bereiten Sie eine GPC-Säule vor, die 49 in einem langen und 1.125 im Durchmesser ist. Packen Sie das Gel in aufeinanderfolgenden Schritten des Hinzufügens von Gel und lassen Sie Wasser durch die Säule fließen, um eine korrekte Verpackung zu gewährleisten, mit einem minimalen Raum zwischen den Gelperlen. Pack dieGel bis etwa 80% der Säule; Die Menge an gepacktem Gel variiert jedes Mal und wirkt sich nur auf die Retentionszeit der abgetrennten Spezies aus.
- Führen Sie 10 mL as-synthetisierte Al (OH) 3 Nanopartikel-Suspension (hergestellt in Schritt 1.3) in die Säule unter Verwendung einer HPLC-Pumpe mit einer 10 mL Injektorschleife ein. Die Injektorschleife mit einem Außendurchmesser von ca. 0,125 Zoll und einer Länge, die kalibriert ist, um 10 ml injizierte Probe zu liefern,
- Sammeln Sie die Säulenelution in Intervallen, die mit der dRI-Peak-Position korrelieren. Verbinden Sie den GPC-Ausgang mit dem Eingang eines Differential-Brechungsindex (dRI) -Detektors.
HINWEIS: Da getrennte Spezies aus der GPC kommen, erscheinen sie auf dem dRI-Detektor als Peak und werden dann in 125 ml Flaschen gesammelt. Die GPC-Säule produziert zwei gut aufgelöste Peaks, die beide gesammelt und mit Größenausschlusschromatographie (SEC) und Elementaranalyse (EA) analysiert werden, um Arginin aus Aluminium spe zu erkennenCies Das gesammelte Gesamtvolumen hängt von der Größe der GPC-Säule, der Gesamtmenge des verwendeten Verpackungsmaterials und der Strömungsgeschwindigkeit des entionisierten Wassers ab, das verwendet wird, um die Säule zu eluieren.- Sammeln Sie die Mehrheit der Peak-1-Fraktion über 100 min bei einer 0,2 ml / min Fließgeschwindigkeit.
- Sammeln Sie das Elutionsmittel in 30-Minuten-Intervallen, sobald ein Peak auf dem RI-Detektor der GPC-Säule austritt.
HINWEIS: Das Ändern des Intervallbereichs ändert die Konzentration und Reinheit des resultierenden gereinigten Peak 1-Materials. Es empfiehlt sich, zunächst kleine Intervalle des Peaks zu sammeln, um zu bestimmen, welcher Teil die höchste Konzentration und Reinheit der Peak-1-Spezies für eine bestimmte Säule enthält.
- 1 Gew .-% NaCl zubereiten.
- Man gibt die hergestellte NaCl-Lösung tropfenweise zu 10 ml gereinigter Al (OH) 3 -Nanopartikel; Das unter Verwendung von NaCl-Präzipitation hergestellte Material wird für weitere Experimente nicht verwendet.
3. Vorbereitung von Al-MCM-41
- AcTeste ca. 1,0 g MCM-41 bei 120 ° C unter Vakuum für 3 h in einem Vakuumofen.
- 50,0 g Aluminiumchloridlösung durch Kombination von 9,6926 g AlCl & sub3; · 6H & sub2; O mit 40,3074 g entionisiertem Wasser zubereiten.
- Füge 0,7 g aktiviertes MCM-41 zu 50,0 g Aluminiumchloridlösung (hergestellt in Schritt 3.2) zu.
- Erlaube eine ausreichende Mischzeit (1 Std.), Um die Homogenität des AlCl 3 zu gewährleisten, die über die MCM-41 Kanäle diffundiert ist.
- Füge L-Arginin zu der heterogenen Mischung zu einem Arg / Al-Molverhältnis von 2,75 unter magnetischem Rühren hinzu. Ähnlich wie bei Schritt 1.2 fügen Sie das Arginin langsam so hinzu, dass die sofort gebildeten Flockungsmittel wieder auflösen und das Verklumpen des Arginins reduzieren können, bevor die Zugabe fortgesetzt wird.
- Nach der Homogenität die Mischung bei 50 ° C für 72 h erhitzen.
- Filtriere die erhaltene heterogene Lösung unter Verwendung eines Buchner-Trichters unter Vakuum und wurde mit qualitativen 90-mm-Filterpapierkreisen ausgestattet(Oder andere geeignete Filterpapiere).
- Waschen Sie das gefilterte weiße Pulver mit überschüssigem deionisiertem Wasser, um die Entfernung von nicht umgesetztem Aluminiumchlorid, Arginin oder wasserlöslichen Nebenprodukten aus dem hergestellten Al-MCM-41-Material zu gewährleisten.
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Ergebnisse
Nanogibbsit-Synthese
Nanogibbsit wurde durch Titration von AlCl & sub3; · 6H & sub2; O (14 Gew .-%) mit L-Arginin zu einem endgültigen Arg / Al-Molverhältnis von 2,75 hergestellt. Die Synthese von Nanogibbsit-Partikeln wurde über SEC überwacht , was eine weit verbreitete Analysetechnik für partiell hydrolysierte Aluminiumchloridlösungen ist, die in der Lage ist, fünf Domänen, die wi...
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Diskussion
Die Herstellung einer wässrigen Aluminiumchloridlösung ergab die Verwendung eines kristallinen Hexahydratsalzes von Aluminiumchlorid. Obwohl die wasserfreie Form auch verwendet werden kann, ist es aufgrund ihrer signifikanten hygroskopischen Eigenschaften nicht bevorzugt, was es schwierig macht, mit der Konzentration von Aluminium zu arbeiten und diese zu kontrollieren. Es ist bemerkenswert, dass Aluminiumchloridlösung innerhalb von einigen Tagen nach der Herstellung verwendet werden sollte, da im Laufe der Zeit die [Al...
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Danksagungen
Die Autoren erweitern ihre Anerkennung für Dr. Thomas J. Emge und Wei Liu von Rutgers University für ihre Analyse und Expertise in Kleinwinkel-Röntgenbeugung und Pulver Röntgenbeugung. Darüber hinaus erkennen die Autoren Hao Wang für seine Unterstützung mit den N 2 Adsorptionsexperimenten an.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Aluminiumchlorid-Hexahydrat | Alfa Aesar | 12297 | |
| L-Arginin | BioKyowa | N/A | |
| Aluminiumhydroxid | Sigma Aldrich | 239186 | |
| Bio-Gel P-4 Gel | Bio-Rad | 150-4128 | |
| Mesoporöses Siica (Typ MCM-41) | Sigma Aldrich | 643645 |
Referenzen
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