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Methodenartikel

Herstellung und Prüfung von katalytischen Aerogelen über schnelle überkritische Extraktion vorbereitet

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DOI:

10.3791/57075

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31. August 2018

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

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir Protokolle für die Vorbereitung und Prüfung katalytische Aerogele durch Metall Arten in Kieselsäure und Tonerde Aerogel-Plattformen zu integrieren. Verfahren zur Herstellung von Materialien mit Kupfer-Salze und Kupferhaltige Nanopartikel sind ebenfalls vorhanden. Katalytische Testprotokolle belegen die Wirksamkeit dieser Aerogele für Dreiwege Katalyse-Anwendungen.

Zusammenfassung

Protokolle für die Vorbereitung und Prüfung katalytische Aerogele durch Einbeziehung Metall Arten in Kieselsäure und Tonerde Aerogel-Plattformen werden vorgestellt. Drei Methoden werden beschrieben: (a) die Einbeziehung von Metall Salze in Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid nassen Gele mit einer Imprägnierung Methode; (b) die Einbeziehung von Metall Salze in Aluminiumoxid nassen Gele mit einer Co-Vorläufer-Methode; und (c) die Zugabe von Metall-Nanopartikeln direkt in eine Silica Aerogele Vorläufer Mischung. Die Methoden zu nutzen eine heiße Hydraulikpresse, ermöglicht eine schnelle (< 6 h) überkritische Extraktion und Ergebnisse in Aerogele von geringer Dichte (0,10 g/mL) und hohe Fläche (200-800 m2/g). Während der Arbeit hier konzentriert sich auf die Verwendung von Kupfersalzen und kupfernanopartikel präsentiert, kann der Ansatz mit anderen Metallsalzen und Nanopartikel implementiert werden. Ein Protokoll für die Prüfung der Dreiwege katalytische Fähigkeit diese Aerogele zur Verringerung des Kfz Verschmutzung wird ebenfalls dargestellt. Diese Technik setzt ein Custom-Built, die Union katalytische Testbed (UCAT), in denen ein simulierter Auspuff-Gemisch über eine Aerogel-Probe bei einer kontrollierten Temperatur und Durchflussmenge übergeben wird. Das System ist in der Lage ist, messen die Fähigkeit der katalytischen Aerogele, unter beiden oxidierenden und reduzierenden Bedingungen, um CO, nicht konvertieren und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HCs), weniger schädliche Arten (CO-2, H2O und N2). Katalytische Beispielergebnisse präsentieren für die Aerogele beschrieben.

Einleitung

Kieselsäure und Tonerde-basierten Aerogele haben bemerkenswerte Eigenschaften, einschließlich niedrige Dichte, hohe Porosität, hohe Oberfläche, gute thermische Stabilität und geringe thermische Leitfähigkeit1. Diese Eigenschaften machen der Aerogel Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen1,2attraktiv. Eine Anwendung, die die thermische Stabilität und hohe Fläche, der Aerogele nutzt ist heterogene Katalyse; mehrere Artikel lesen die Literatur in diesem Bereich2,3,4,5. Es gibt viele Ansätze, die Herstellung von Aerogel-Katalysatoren, einschließlich Einbau oder Einklemmung des katalytischen Spezies im Rahmen einer Kieselsäure oder Tonerde Aerogel5,6,7, 8,9,10,11. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Protokolle zur Vorbereitung über schnelle überkritische Extraktion (RSCE) und katalytische Prüfung von Aerogel Materialien für automotive Verunreinigung Mitigation und Kupferhaltige Aerogele als Beispiele verwendet.

Dreiwege Katalysatoren (TWCs) werden häufig in Verunreinigung Mitigation Ausrüstung für Benzin Motoren12eingesetzt. Moderne TWCs enthalten, Platin, Palladium und Rhodium, Platin-Gruppe Metalle (PGMs), die sind selten und daher teuer und ökologisch teuer zu erhalten. Katalysator-Materialien auf Basis von leichter verfügbar Metalle hätte erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile.

Aerogele können aus nassen Gele mit einer Vielzahl von Methoden1vorbereitet. Das Ziel ist es, Pore Zusammenbruch zu vermeiden, da Lösungsmittel aus dem Gel entfernt ist. Die Verfahren in diesem Protokoll ist eine schnelle überkritische Extraktion (RSCE) Methode in der Gewinnung von einem Gel innerhalb einer Metallform in einem programmierbaren hydraulische Heißpresse13,14,15auftritt, 16. Die Verwendung von dieser RSCE-Prozess für die Herstellung von Silika Aerogel Monolithen wurde zuvor in einem Protokoll17, nachgewiesen, in denen die relativ kurze Vorbereitungszeit verbunden mit diesem Ansatz betont wurde. Überkritische CO2 Extraktion ist ein häufiger Ansatz, aber dauert länger und erfordert mehr Einsatz von Lösungsmitteln (einschließlich CO2) als RSCE. Andere Gruppen haben vor kurzem Protokolle für die Zubereitung von den unterschiedlichsten Arten von Aerogelen Verwendung von überkritischem CO2 Extraktion18,19,20veröffentlicht.

Hier werden Protokolle für die Herstellung und katalytisch Tests verschiedener Arten von Kupfer-haltigen katalytische Aerogele präsentiert. Basierend auf der NO-Reduktion und CO Oxidation Aktivität Ranking der Kohlenstoff-gestützte unedlen Metallen Katalysatoren unter Bedingungen von Interesse für automotive Verunreinigung Mitigation von Kapteijn Et Al. zur Verfügung gestellt 21, Kupfer wurde als das katalytische Metall für diese Arbeit ausgewählt. Herstellung Ansätze umfassen (a) Imprägnierung (IMP) von Kupfersalzen in Aluminiumoxid oder Kieselsäure nassen Gele11, (b) mit Kupfer(II) und Aluminium Salze als Co-Vorläufer (Co-P) bei der Herstellung von Kupfer-Tonerde Aerogels6,22, und (c) Abformmaterial Kupferhaltige Nanopartikel in einer Silica-Aerogel Matrix während der Herstellung10. In jedem Fall ist eine RSCE Methode zur Entfernung des Lösungsmittels aus die Poren der nassen gel-Matrix13,14,15.

Ein Protokoll für die Beurteilung der Eignung dieser Materialien als TWCs für automotive Verunreinigung Mitigation, mit der Union katalytische Testbed (UCAT)23, wird ebenfalls dargestellt. Das UCAT System, wesentliche, das, das Teile davon schematisch in Abbildung 1dargestellt sind, soll simulieren die chemische, thermische, und Bedingungen in einem typischen Benzin-Motor-Katalysator zu fließen. UCAT Funktionen durch die Übergabe einer simulierten Auspuff Mischung über ein Aerogel-Probe bei kontrollierter Temperatur und Durchfluss. Die Aerogel-Probe in einen Durchmesser von 2,25 cm Stahlrohr verpackten Bett Strom geladen wird Zelle (""-Test-Abschnitt""), enthält die Probe zwischen zwei Bildschirmen. Die geladenen Durchflusszelle befindet sich in einen Ofen zum Steuern der Abgas und katalysatortemperatur und Proben von behandelten Auspuff (d.h. Abgas durchströmt das verpackte Bett) und unbehandelte Gas (d.h. unter Umgehung der verpackten Bettes) untersucht in einem Temperaturbereich bis zu 700 ˚C. Die Konzentrationen der drei wichtigsten Schadstoffe--CO, NO, und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HCs)--sind mit einer fünf-Gasanalysator nach der Behandlung durch den Aerogel-Katalysator und separat in einem unbehandelten gemessen ("" Bypass "") Strömung; aus diesen Daten errechnet sich die " "Prozent Konvertierung" " für jeden Schadstoff. Für die hier beschriebenen Prüfung ein handelsüblicher Auspuff Mischung, California Bureau of Automotive Reparatur (BAR) 97 schadstoffarm, die Mischung angestellt war. Alle Einzelheiten des UCAT's Design und Funktion sind in Bruno Et Al.23 vorgestellt

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Abbildung 1: UCAT Messstrecke und probenahmesysteme. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von 2016-01-0920 (Bruno Et Al. ( 23), Copyright 2016 SAE International. Weitere Verteilung der dieses Material darf nicht ohne vorherige Genehmigung von SAE. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Protokoll

Sicherheitshinweise: Tragen Sie Schutzbrille oder Schutzbrille und Labor Handschuhe überhaupt mal wenn performing vorbereitende Arbeiten mit chemischen Lösungen und beim Umgang mit nassen Gele oder katalytische Aerogel Materialien. Propylenoxid, Tetramethyl Orthosilicate (TMOS), Ethanol, Methanol, Ammoniak, Nanopartikeln und Lösungen, eine davon in einer Dampfhaube zu behandeln. Lesen Sie Sicherheitsdatenblätter (SDB) für alle Chemikalien, einschließlich Nanopartikel, bevor Sie mit ihnen arbeiten. Tragen Sie eine partikuläre Maske, wenn Aerogel Proben Zerkleinern und beim Be- und Entladen der Prüfraum. Tragen Sie Schutzbrillen oder Schutzbrille beim Betrieb der hydraulischen Heißpresse oder katalytische Prüfstand. Binden Sie wieder lange Haare und tragen Sie keine losen Kleidung (Schals, zum Beispiel) Wenn heiße Pressearbeit. Wie bereits in unserem vorherigen Protokoll17, beschäftigen Sie ein Schutzschild um die Heißpresse richtig Vent der heißen drücken Sie die Taste und stellen Sie sicher, dass es keine Zündquellen in der Nähe gibt. Bieten Sie richtige Belüftung der Prüfstand und alle Gas Auspuffanlagen und installieren NO und CO Gas Monitore im Zusammenhang mit dem katalytischen Prüfstand Betreiber Raum. Tragen Sie Ofenhandschuhe beim Entfernen oder Ersetzen einer heißen Prüfzelle.

1. Herstellung von Aluminiumoxid-Kupfer Sol Gele mit Kupfer Salze

Hinweis: Rezepte für Aluminiumoxid-Kupfer (Al-Cu) Sol Gele sind in Tabelle 1dargestellt. Alle Lösung Vorbereitungen erfolgt innerhalb einer Abzugshaube.

  1. Reagenzien und andere Versorgungsgüter vorbereiten
    1. Sammeln der benötigten Reagenzien: Aluminium Chlorid Hexahydrat, Kupfer Nitrat Trihydrate Propylenoxid, Reagenz-Klasse Ethanol und absoluten Ethanol.
    2. Erhalten Nachschub benötigt: reinigen und trocknen Sie Becher (zwei 250-mL); saubere, trockene und magnetische rühren Bar; 50 oder 100 mL graduierte Zylinder; eine 10-mL-Injektionsspritzen; eine kalibriert digitale Waage.
    3. Erhalten Sie einen kleinen Labormaßstab sonikator und Vorbereiten für die Verwendung durch Zugabe von Wasser auf die Füllhöhe und sicherzustellen, dass beide Becher in sonikator platziert werden können, ohne umzufallen.
  2. Synthetisieren Sie Aluminiumoxid-Kupfer Sol Gele über eine Imprägnierung-Methode (Al-Cu-IMP)
    1. Mit einer kalibrierten digitale Waage, Aluminium Chlorid Hexahydrat 5,92 g abwiegen und 250-mL-Becherglas hinzufügen. Die gleichen 250-mL-Becherglas 40 mL Reagenz-Klasse Ethanol und eine Bar unter Rühren hinzufügen. Decken Sie das Becherglas mit Paraffin Film und Ort auf der Magnetplatte zum rühren bei mäßiger Geschwindigkeit, bis die Aluminiumsalz (ca. 15 min) aufgelöst hat. Becher aus magnetischen Platte entfernen und aufzudecken.
    2. Verwenden Sie die 10-mL-Spritze das Septum auf der Propylen oxid Flasche durchbohren und 250-mL-Becherglas 8 mL von Propylenoxid hinzufügen. Paraffin-Film über das Becherglas und Platz auf der Magnetplatte zum rühren bei mäßiger Geschwindigkeit zu ersetzen, bis die Lösung (ca. 5 min) geliert hat. Entfernen Sie das Becherglas von der magnetischen Platte und lassen Sie Gel, Alter bei Raumtemperatur für 24 h.
    3. Mit einer kalibrierten digitale Waage, wiegen 1,4 g Kupfer Nitrat Trihydrate und verleihen ein Becherglas. Das Becherglas 40 mL absolutes Ethanol hinzufügen. Stellen Sie den Becher in die sonikator und Beschallen Sie, bis sich das Kupfer Salz auflöst (ca. 10 min).
    4. Gießen Sie überschüssiges Lösungsmittel aus Tonerde Gel, entfernen Sie die Stir Bar und brechen Sie das Gel in mehrere Teile (5-10 mm pro Seite) mit einem Spatel. Kupfer Gemisch in das Becherglas mit dem Gel. Decken Sie Becher mit Paraffin Film zu, und lassen Sie das Gel zu Alter bei Raumtemperatur für 24 h.
    5. Gießen Sie überschüssiges Lösungsmittel und fügen Sie 40 mL frische absoluten Ethanol hinzu. Ersetzen Sie Paraffin-Film auf den Becher zu, und lassen Sie das Gel zu alt für ein weiteres 24 h bei Raumtemperatur.
    6. Wiederholen Sie Schritt 1.2.5 mindestens einmal zur Entfernung des überschüssigen Propylenoxid (Reagenz) zu gewährleisten und jede Reaktion Nebenprodukte6.
    7. Fahren Sie mit Schritt 3 (Verarbeitung von... zu Aerogele...) überkritische Extraktion des Lösungsmittels von nassen Gele, der Aerogele Ausbeute durchführen.
  3. Aluminiumoxid-Kupfer Sol Gele über eine Co Vorläufer-Methode (Al-Cu-CoP) zu synthetisieren
    1. Mit einer kalibrierten digitale Waage, wiegen Sie 4,52 g Aluminium Chlorid Hexahydrat und 1,4 g Kupfer Nitrat Trihydrate. Diese Salze hinzu kommt eine saubere 250-mL-Becherglas. Die 250-mL-Becherglas 40 mL Reagenz-Klasse Ethanol und eine Bar unter Rühren hinzufügen. Decken Sie das Becherglas mit Paraffin Film und Ort auf der Magnetplatte zum rühren bei mäßiger Geschwindigkeit, bis der Aluminium- und Kupfersalzen (ca. 15 min) aufgelöst haben. Entfernen Sie den Becher aus Magnetplatte und aufzudecken.
    2. Verwenden Sie die 10-mL-Spritze, um das Septum auf der Propylen oxid Flasche durchbohren und 250-mL-Becherglas hinzuzufügen Sie 9,5 mL Propylenoxid. Ersetzen Sie Paraffin-Film auf den Becher zu und auf Magnetplatte. Rühren Sie, bis die Lösung (15-20 min) geliert hat. Entfernen Sie das Becherglas von der magnetischen Platte und lassen Sie das Gel zu Alter bei Raumtemperatur für 24 h.
    3. Gießen Sie überschüssiges Lösungsmittel aus Gel, und brechen Sie das Gel in mehrere Teile (5-10 mm pro Seite) mit einem Spatel. Becher, Deckel 250-mL-Becherglas mit Paraffin Film, 40 mL frische absoluten Ethanol hinzu und lassen Sie das Gel zu Alter bei Raumtemperatur für 24 h.
    4. Gießen Sie überschüssiges Lösungsmittel und fügen Sie 40 mL frische absoluten Ethanol hinzu. Ersetzen Sie Paraffin-Film auf Becher zu, und lassen Sie das Gel zu alt für ein weiteres 24 h bei Raumtemperatur.
    5. Wiederholen Sie Schritt 1.3.4. mindestens einmal in der Reihenfolge zu entfernen überschüssige Propylenoxid und Nebenprodukte der Reaktion.
    6. Fahren Sie mit Schritt 3 (Verarbeitung von... zu Aerogele...) überkritische Extraktion des Lösungsmittels von nassen Gele, der Aerogele Ausbeute durchführen.

2. Herstellung von Silica-Kupfer Sol Gele mit Kupfer Salze

Hinweis: Das Rezept für Kieselsäure-Kupfer (Si-Cu) Sol-Gel ist in Tabelle 2dargestellt. Alle Lösung Vorbereitungen erfolgt innerhalb einer Abzugshaube.

  1. Reagenzien und andere Versorgungsgüter vorbereiten
    1. Sammeln von Reagenzien benötigt: Tetramethyl Orthosilicate (TMOS), Methanol, deionisiertes Wasser, Ammoniak, Kupfer Nitrat Trihydrate und absoluten Ethanol.
    2. Machen Sie 100 mL einer 1,5-M-Ammoniak-Lösung durch Verdünnung 10,1 mL konzentriertes Ammoniak 14,8 M auf 100 mL mit entionisiertem Wasser.
    3. Erhalten Nachschub benötigt: reinigen und trocknen Sie Becher (einschließlich einem 250-mL und einem 100-mL-Becherglas); Variable-Volumen Pipetten kalibriert (ein 1000 µL und eine digitale 10,0-mL-Pipette mit entsprechenden Tipps empfohlen); eine 50 mL oder 100 mL Messzylinder; eine kalibriert digitale Waage.
    4. Kleinen Labormaßstab sonikator erhalten und Vorbereiten für die Verwendung durch Zugabe von Wasser auf die Füllhöhe und sicherzustellen, dass beide Becher in sonikator platziert werden können, ohne umzufallen.
  2. Synthetisieren Sie Silica-Kupfer-Sol-Gel über eine Imprägnierung-Methode (Si-Cu IMP)
    1. Pipette 8,5 mL TMOS in das 250-mL-Becherglas. Die 250-mL-Becherglas mit einem Messzylinder fügen Sie 27,5 mL Methanol hinzu. Pipette 3,6 mL Wasser in das 250-mL-Becherglas. 250-mL-Becherglas mit Paraffin Film Cover und beschallen die Mischung, bis es eine monophasische Lösung (5-10 min) ist, dann entdecken.
    2. Pipette 1,35 mL 1,5 M NH3 in das 250-mL-Becherglas. Ersetzen Sie Paraffin-Film auf den Becher zu und Beschallen Sie bis Gelierung (ca. 2 min) auftritt. Lassen Sie das Gel zu Alter bei Raumtemperatur für 24 h.
    3. Mit einer kalibrierten digitale Waage, 0,55 g Kupfer Nitrat Trihydrate wiegen Sie ab und verleihen Sie einen 100-mL-Becherglas. 100-mL-Becherglas 20 mL absolutes Ethanol hinzufügen. 100-mL-Becherglas in der sonikator und Beschallen Sie bis Kupfer Salz (ca. 10 min) vollständig aufgelöst hat.
    4. Brechen Sie die Silica-Gel in mehrere Teile (5-10 mm pro Seite) mit Hilfe einer Spachtel und der 250-mL-Becherglas, enthält das Gel Kupferlösung hinzufügen. Ersetzen Sie Paraffin Film über Becher und lassen Sie das Gel zu Alter bei Raumtemperatur für 24 h.
    5. Gießen Sie überschüssiges Lösungsmittel und fügen Sie 20 mL frische absoluten Ethanol hinzu. Ersetzen Sie Paraffin Film auf Becher und lassen Sie Gel zu alt für ein weiteres 24 h.
    6. Wiederholen Sie Schritt 2.2.5. mindestens einmal.
    7. Fahren Sie mit Schritt 3 (Verarbeitung von... zu Aerogele...) überkritische Extraktion des Lösungsmittels von nassen Gele, der Aerogele Ausbeute durchführen.

(3) Verarbeitung von Aluminiumoxid-Kupfer und Silica-Kupfer Sol Gele mit Kupfer Salze in Aerogelen über schnelle überkritische Extraktion hergestellt

  1. Bereiten Sie Heißpresse und Schimmel
    1. Erhalten Sie eine entsprechend dimensionierte Edelstahl-Schimmel. Zum Beispiel ein 12,7 x 12,7 cm x 1,8 cm-Form mit vier Runden Brunnen 3,8 cm im Durchmesser und 1,5 cm in der Tiefe messen.
    2. Dichtungsmaterial vorzubereiten. Schnitt, die Dichtungen ausreichend groß um die Form vollständig zu decken (in diesem Beispiel > 12,7 cm x > 12,7 cm) von 1,6 mm dicken Graphit Dichtungsmaterial und 0,012 mm dicken Edelstahl-Folie.
    3. Programm der Heißpresse für Ethanol-Gewinnung, siehe Tabelle 3 für die Parameter.
  2. Überkritische Extraktion in Heißpresse durchführen
    1. Dekantieren Sie nach Vorbereitung und Ethanol Austausch von nassen Gele (Schritt 1.2.6, 1.3.5 oder 2.2.6) überschüssiges Lösungsmittel.
    2. Verteilen Sie die nassen Sol-Gel in die Vertiefungen der Form und zentrieren Sie die Form auf die Heizplatte Heißpresse. Jedes gut mit absoluten Ethanol abzurunden.
    3. Dichtungsmaterialien, verwendet, um die Form, oben auf dem Schimmel Dichtung zu platzieren: Edelstahl Folie zuerst, dann das Graphit-Blatt.
    4. Beginnen Sie das Extraktionsprogramm Heißpresse.
    5. Sobald der Prozess ist abgeschlossen (ca. 5 h), Heißpresse Schimmel entfernen. Dichtungsmaterial aus der Form entfernen und Aerogele in Probenbehälter übertragen.

4. Herstellung von Kupfer-Nanopartikel-dotierte Silica Aerogele Monolithen (Si-Cu-NP)

  1. Vorbereiten, Reagenzien und Verbrauchsmaterialien
    1. Reagenzien sammeln: TMOS, Methanol, deionisiertes Wasser, 25 - 55 nm Größe Kupfer (II) oxid-Nanopartikel, aufgelöst in Wasser bei 20 Gew.-% und 1,5 M wässrigen Ammoniak-Lösung (wie unter Schritt 2.1.2.). Verschiedene Arten (Oxidationsstufen, Größen) und Konzentration der Nanopartikel können mit Anpassungen an das Rezept verwendet werden.
    2. Bereiten Sie Lieferungen: reinigen und trocknen Sie Becher (einschließlich einer 250 mL und 100 mL); Variable-Volumen Pipetten kalibriert (eine 10-mL und einem 1.000 µL digitale Pipette mit entsprechenden Tipps werden empfohlen); Einweg-Pasteurpipette; eine kalibriert digitale Waage.
    3. Kleinen Labormaßstab sonikator erhalten und Vorbereiten für die Verwendung durch Zugabe von Wasser auf die Füllhöhe und sicherzustellen, dass beide Becher in sonikator platziert werden können, ohne umzufallen.
  2. Bereiten Sie Heißpresse und Schimmel
    1. Entsprechend dimensionierte Stahlform vorzubereiten. In diesem Beispiel eine 12,7 cm x 12,7 cm x 1.905-cm-Form, mit neun Runden durch Brunnen von 1,905 cm Durchmesser. Sprühen Sie Brunnen mit Hochtemperatur-Schmiermittel, Entfernung von Aerogelen nach der Verarbeitung zu erleichtern.
    2. Dichtungsmaterial vorzubereiten. Sammeln Sie 1,6 mm dicken Graphit Dichtungsmaterial und 0,012 mm dicken Edelstahl-Folie und schneiden Sie drei Stücke von jeweils ausreichend groß um die Form vollständig zu decken (in diesem Beispiel > 12,7 cm x > 12,7 cm).
    3. Programm Heißpresse für Abdichtung und Extraktion. Finden Sie in Tabelle 4 und Tabelle 5, bzw. Programmwerte.
      Hinweis: Abdichtung ist notwendig um zu verhindern, dass Flüssigkeit sickerte aus der Form offenen unteren Brunnen.
    4. Dichtungsmaterial und die Form in der Mitte der Heißpresse Walzen in der folgenden Reihenfolge zu platzieren: Graphit, Folie, Schimmel, Folie, Graphit. Starten Sie die Abdichtung Programm (mit Parameter in Tabelle 4).
  3. Machen Sie Vorläufer-Lösung für Si-Cu NP Aerogele
    Hinweis: Das Rezept für die Silica-Aerogel mit 5 wt % Kupfer (II) oxid Nanopartikeln ist in Tabelle 6 aufgeführt. Dieses Rezept kann geändert werden, um unterschiedliches Gewicht Prozentsatz Mengen an Kupfer zu integrieren. Alle Lösungen sollten behandelt und in einer Dampfhaube gemischt.
    1. Legen Sie eine saubere 250-mL-Becherglas auf die kalibrierte digital Waage und pipette ca. 13 mL TMOS in das 250-mL-Becherglas. Bedarf mit der Pasteurpipette für eine Gesamtmenge von 13,04 g TMOS fügen Sie zusätzliche TMOS hinzu.
    2. Pipette insgesamt 32,63 g Methanol in der 250-mL-Becherglas. Pipette 3,90 g deionisiertes Wasser in das 250-mL-Becherglas.
    3. Shake 20 Gew.-% Kupfer (II) oxid Nanodispersion um sicherzustellen, dass Nanopartikel, die nach unten angesiedelt haben wieder ausgesetzt, dann pipette 1,50 g die Nanodispersion in das 250-mL-Becherglas Vorläufer-Lösung. Pipette 200 µL 1,5 M Ammoniak in der 250-mL-Becherglas.
    4. Decken Sie das Becherglas mit Paraffin Film und Beschallen Sie die Mischung für ca. 5-10 min, bis es eine monophasische Lösung.
  4. Gelierung und überkritische Extraktion in Heißpresse durchführen
    1. Nach der Versiegelung-Programm abgeschlossen ist, entfernen Sie die obere Dichtung, kümmert sich nicht um die Form zu verschieben. Zu diesem Zeitpunkt hat der Boden der Form abgedichtet.
    2. Füllen Sie nun vollständig mit der Vorläufer-Lösung.
      Hinweis: Es werden Lösung übrig. Dies kann verworfen oder unter Umgebungsbedingungen Xerogels zu trocknen.
    3. Legen Sie ein frisches Stück Folie dann ein frisches Stück Graphit oben auf dem Schimmel.
    4. Extraktionsprogramm starten (mit Parametern in Tabelle 5).
    5. Wenn das Extraktionsprogramm ist komplett (ca. 8 h), entfernen Sie das Schimmel und Dichtung Material aus der Heißpresse. Vorsichtig schälen Sie das Dichtungsmaterial von der Spitze des Werkzeugs und entsorgen. Drücken Sie vorsichtig jede Aerogel in ein Probengefäß mit einem behandschuhten Finger.

5. Betrieb der Union katalytische Prüfstand

  1. Bereiten und laden Probe
    1. Zerdrücken Sie leicht etwa 30 mL Aerogel in ca. 1 - 2 mm Durchmesser Stücke mit einem Mörser und Stößel. Zerdrücken Sie Aerogel nicht zu einem Pulver.
    2. Messen Sie etwa 30 mL der katalytischen Aerogel Stücke mit einem sauberen, trockenen Messzylinder.
      Hinweis: Die Aerogele wird mit Wärmebehandlung, schrumpfen, so es notwendig ist, um sicherzustellen, dass es 15-20 mL Aerogel zum Testen nach der Wärmebehandlung zur Verfügung.
    3. Legen Sie das Aerogel in keramischen Schmelztiegeln, decken die Tiegel locker und calcine in einem Ofen bei 800 ° c für 24 h.
    4. Tiegel aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen.
    5. 20 mL Aerogel zu messen und in einem sauberen, trockenen UCAT Messstrecke Gießen und stecken Sie einen Ende-Bildschirm, um die Probe im Ort während des Tests zu behalten.
    6. Last-Test-Abschnitt in die UCAT Baugruppe mit Kupfer Unterlegscheiben und Klammern um zu versiegeln. Sicher schließen Sie UCAT Ofen.
      Hinweis: Um Ofen Schaden oder elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, sicherstellen Sie, dass die Messstrecke die Innenwand des Ofens nicht berührt.
  2. Vorbereiten der Union katalytische Prüfstand
    1. Kontrollieren, ob CO und keine Detektoren auf und funktionieren.
    2. Simulierter Auspuff Gasversorgung zu überprüfen. Ersetzen Sie simulierten Auspuff Flasche vor Beginn der Prüfung wenn 700 kPa Druck unterschreitet.
    3. Legen Sie den Gasdruckregler auf 345 kPa. Set Luft Druckregler bis 345 kPa. Leck Test Auspuff Gas Flow-Linien.
    4. Schalten und die kalibrierten fünf-Gasanalysatoren auf NULL. Set-Analysatoren zu messen. Lassen Sie Analysatoren für 30 min zum Aufwärmen.
    5. Legen Sie die gewünschte Temperatur (in der Regel 200 ˚C für die erste Lesung) und starten Sie den Ofen. Stellen Sie sicher, dass das Bypass-Ventil Luft durch die Prüfzelle liefern soll.
    6. Passen Sie Massendurchflussregler Rate um die richtigen Mengen Luft (verwendet während der Aufwärmphase) liefern und simuliert Auspuff (verwendet während des Tests), gewünschte Raumgeschwindigkeit beizubehalten.
      Hinweis: In unserem System wird dies erreicht, indem Sie einfach die gewünschte Raumgeschwindigkeit in das System Control Programm festlegen. Die Massendurchflussregler sind automatisch und passen Sie die Masse regelgarnitur Sie die gewünschten Werte, basierend auf die Ofentemperatur auf die ausgewählten Raumgeschwindigkeit pflegen.
    7. Schalten Sie Warm up / purge Luftstrom durch die Prüfzelle und warten, bis der Durchfluss durch die Prüfzelle an gewünschte Prüftemperatur (in der Regel 30 min) zu stabilisieren.
  3. Durchführen Sie eine Messung.
    1. Re-zero 5-Gasanalysator und legen Sie das Bypass-Ventil fließen die Messstrecke umgehen zu senden. Schalten Sie das warme oben / Entlüften Sie Luft.
    2. Schalten Sie den simulierten Abgasstrom. Fünf-Gasanalysator Lesungen zu stabilisieren lassen (ca. 90 s) und Bypass (simulierter Auspuff Flasche) Schadstoffkonzentrationen aufzeichnen.
    3. Legen Sie das Bypass-Ventil, den Fluss durch die Messstrecke zu lenken. Ermöglichen fünf Gas Analyzer Lesungen zu stabilisieren (ca. 360 s) und Datensatz behandelt ohne Sauerstoff Auspuff Schadstoffkonzentrationen.
    4. Schalten Sie Sauerstoff zusätzlich zu der Mischung. Fünf-Gasanalysator Lesungen zu stabilisieren lassen (ca. 90 s) und Rekord behandelten mit sauerstoffarmen Schadstoffkonzentrationen erschöpfen.
    5. Legen Sie das Bypass-Ventil fließen die Messstrecke umgehen zu senden. Fünf-Gasanalysator Lesungen zu stabilisieren lassen (ca. 90 s) und Bypass (simulierter Auspuff Flasche) Schadstoffkonzentrationen wieder aufnehmen.
    6. Schalten Sie den simulierten Abgasstrom.
    7. Inkrement Ofentemperatur auf nächste gewünschte Bedingung (in der Regel 50 ° c höher), dann wiederholen Sie die Schritte 5.2.6, 5.3.6. Weiter bis auf die gewünschte maximale Temperatur (in der Regel 600 ˚C) Messungen abgeschlossen sind.
  4. Schließen der Union katalytische Prüfstand
    Hinweis: Nach Abschluss des letzten Bypass (Typ bei 600 ° c) ist der Test beendet. Dem Prüfstand heruntergefahren.
    1. Schalten Sie simulierten Flasche Auslassventile und Regulatoren. Schalten Sie Backofen, fünf-Gasanalysator und Luft.
ChemischeBetrag (Imprägnierung-Methode)Betrag (Co Vorläufer-Methode)
AlCl3•7H2O5,92 g4,52 g
Cu (Nr.3)2•3H2O1,4 g1,4 g
Propylenoxid8 mL9,5 mL
Reagenz-Klasse ethanol40 mL40 mL
Absoluter ethanol120 mL120 mL

Tabelle 1. Rezept für die Zubereitung von Aluminiumoxid-Kupfer Sol Gele.

ChemischeBetrag (Imprägnierung-Methode)
TMOS8,5 mL
MeOH27,5 mL
H2O3,6 mL
1,5 M NH3 1,35 mL
Absoluter Ethanol60 mL
Cu (Nr.3)2•3H2O0,55 g

Tabelle 2. Rezept für die Zubereitung von Silica-Kupfer Sol Gele.

Schritt #Temperatur (° C)Temp-Rate (° C/min)Kraft (kN)Kraft-Rate (kN/min)Verweilzeit (min)
13030020030000,25
22502.2200--30
3250--4.54.515
4302.24.5--1
5ENDE

Tabelle 3. Hot Press Extraktion Programmparameter für Aluminiumoxid-Kupfer und Silica-Kupfer Sol Gele.

Schritt #Temperatur (° C)Temp-Rate (° C/min)Kraft (kN)Kraft-Rate (kN/min)Verweilzeit (min)
1AB--90300010
2ENDE

Tabelle 4. Hot Press Abdichtung Programmparameter.

Schritt #Temperatur (° C)Temp-Rate (° C/min)Kraft (kN)Kraft-Rate (kN/min)Verweilzeit (min)
13030018030000,25
22901.6180--30
3290--4.54.515
4401.64.5--1
5ENDE

Tabelle 5. Hot Press Extraktion Programmparameter für Kupfer-Nanopartikel-dotierte Silica Aerogele.

ChemischeMenge (mL)Menge (g)
TMOS12,7513.04.
Methanol41,2532.63
Wasser3.93.9
Nanodispersion1.51.5
Ammoniak0,20,15

Tabelle 6. Rezept für die Herstellung von 5 wt % Kupfer-Nanopartikel-dotierte Silica Aerogele.

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Ergebnisse

Fotografische Bilder von der daraus resultierenden Aerogele sind in Abbildung 2dargestellt. Weil die nassen Gele in Stücke vor lösungsmittelaustausch gebrochen wurden, sind die Al-Cu IMP und Si-Cu IMP Aerogele in kleine, unregelmäßig geformte monolithischen Stücke. Es ergibt sich aus der Färbung dieser Proben, die die Aerogele enthalten Kupfer Arten und Variationen in Kupfer Speziation und/oder Liganden Struktur innerhalb der Materialien auftreten. Al-Cu IMP ...

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Diskussion

Das Dienstprogramm der RSCE Methode für die Herstellung von katalytischen Aerogele und UCAT System für den Nachweis der katalytische Fähigkeit wurde hierin nachgewiesen. Wesentliche Vorteile dieser Protokolle gegenüber anderen Methoden sind die Geschwindigkeit der RSCE Aerogel Fabrikation und relativ kostengünstige Ansatz von UCAT katalytische getestet.

Gele zu extrahierenden zubereitet werden, über eine Vielzahl von Methoden, einschließlich der Imprägnierung von Metallsalzen zu Tonerde und Ki...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Entwicklung von Synthesemethoden für katalytische Aerogele wurde durch National Science Foundation (NSF) Zuschuss finanziert, Nein. DMR-1206631. Planung und Bau von UCAT wurde finanziert durch NSF Grant Nein. CBET-1228851. Zusätzliche Mittel wurde vom Union College Faculty Research Fund zur Verfügung gestellt. Die Autoren möchten auch die Beiträge von Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti und Vinicius Silva anerkennen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Variabler Mikropipettor, 100-1000 & Mikro; LHergestellt von Eppendorf, bezogen von Fisher Scientific www.fishersci.comS304665Any 100-1000 & micro; L-Pipette ist geeignet.
Variabler Pipettor, 2,5-10 mLHergestellt von Eppendorf, gekauft von Fisher Scientific www.fishersci.com21-379-25Jeder variable Pipettierer ist geeignet.
PasteurpipettenFisherScientific13-678-6A
SpritzeBei Fisher Scientific gekauftZ181390 Spritze mit Z261297 Nadel
Digitale WaageOHaus Explorer ProJede digitale Waage ist geeignet.
BecherGekauft bei Fisher ScientificGlasbecherglas ist geeignet.
MesszylinderGekauft bei Fisher ScientificMesszylinder aus Glas ist geeignet.
Magnetplatte/RührerFisherScientific IsotempSP88854200PJede Magnetplatte/jeder Magnetrührer ist geeignet.
UltraschallreinigerFisherScientific FS6153356Jedes Ultraschallgerät ist geeignet.
ImHausFertigen Sie aus kaltgewalztem Stahl oder Edelstahl.
Hydraulische HeißpresseTetraeder www.tetrahedronassociates.comMTP-14Jede Heißpresse mit Temperatur- und Kraftregelung funktioniert. Benötigt eine maximale Temperatur von ~550 F und eine maximale Kraft von 24 Tonnen.
UCAT (Union Catalytic Testbed)Im eigenen HausAusführlich beschrieben in Referenz #21:  Bruno, B.A., Anderson, A.M., Carroll, M.K., Brockmann, P., Swanton, T., Ramphal, I.A., Palace, T. Prüfung von Aerogel-Katalysatoren im Labormaßstab. SAE Technisches Papier 2016-01-920 (2016).
Bar 97 GasPraxairMS_BAR97ZA-D7
Jedes Jeder hergestellte Form hergestellt

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