הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ייצור ובדיקה של Aerogels קטליטי להכין אותה באמצעות מיצוי דודי סופר מהיר

7K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/57075

⸱

31 באוגוסט 2018

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

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

כאן אנו מציגים פרוטוקולים להכנה של בדיקות aerogels קטליטי על ידי שילוב מתכת מינים סיליקה פלטפורמות אירוג'ל אלומינה. שיטות להכנת חומרים באמצעות מלחי נחושת, נחושת המכיל חלקיקים הינם כלולים. קטליטי פרוטוקולי בדיקה להדגים את היעילות של אלה aerogels ליישומים זרז-כיוונית.

תקציר

פרוטוקולים להכנה של בדיקות aerogels קטליטי על ידי שילוב מתכת מינים סיליקה פלטפורמות אירוג'ל אלומינה מוצגים. שלוש שיטות הכנה מתוארים: (א) שילוב של מתכת מלחי לתוך ג'לים רטוב סיליקה או אלומינה באמצעות שיטת העיבור; (ב) שילוב של מתכת מלחי לתוך אלומינה רטוב ג'ל באמצעות שיטה קודמן משותף; ו- (ג) התוספת של חלקיקי מתכת ישירות לתוך תערובת קודמן אירוג'ל סיליקה. השיטות לנצל מכבש חם הידראולי, מה שמאפשר עבור מהירה (< 6-אייץ ') דודי סופר החילוץ ותוצאות aerogels של צפיפות נמוכה (0.10 g/mL), שטח גבוהה ביותר (200-800 מ'2/g). בזמן העבודה המוצגת כאן מתמקדת על השימוש של מלחי נחושת, נחושת חלקיקים, הגישה ניתן ליישם באמצעות מלחי מתכת ו חלקיקים אחרים. פרוטוקול לבדיקת היכולת קטליטי משולשת של אלה aerogels עבור להפחתת זיהום כלי רכב גם מוצג. שיטה זו משתמשת ציוד לפי הזמנה, האיחוד קטליטי Testbed (ucat ב), שבו היא תערובת הפליטה מדומה עברה דוגמה אירוג'ל טמפרטורה מבוקרת, קצב הזרימה. המערכת מסוגלת מדידת היכולת של aerogels קטליטי, תחת שני מחמצן וצמצום תנאי, כדי להמיר CO,. לא, של סמוראים פחמימנים (HCs) כדי פחות מזיקים מינים (CO2, H2O ו- N2). תוצאות קטליטי דוגמה מוצגים עבור aerogels המתואר.

מבוא

סיליקה-אלומינה מבוססי aerogels יש מאפיינים יוצא מן הכלל, לרבות צפיפות נמוכה, נקבוביות גבוהה, שטח גבוהה, טוב יציבות תרמית ו מוליכות חום נמוכה1. מאפיינים אלה לבלתי החומרים אירוג'ל אטרקטיבי עבור מגוון של יישומים1,2. אחד היישומים המנצלת את יציבות תרמית ואת השטח גבוהה של aerogels הוא זרז הטרוגניות; מספר מאמרים סקירת הספרות זה אזור2,3,4,5. ישנן גישות רבות הזיוף של זרזים aerogel מבוססי, לרבות התאגדות או מלכודת של מינים קטליטי בתוך המסגרת של סיליקה או אלומינה אירוג'ל5,6,7, 8,9,10,11. העבודה הנוכחית מתמקדת פרוטוקולים עבור הכנה באמצעות מיצוי דודי סופר מהירה (RSCE) ובדיקות קטליטי של חומרי אירוג'ל להפחתת זיהום כלי רכב, ומשתמש aerogels המכיל נחושת כדוגמאות.

זרזים-כיוונית (TWCs) הם מועסקים בדרך כלל ציוד להפחתת זיהום מנועי בנזין12. TWCs מודרניים מכילים פלטינה, פלדיום ו/או רודיום, פלטינה-הקבוצה מתכות (ממסרים חיצוניים) שהינם נדירים ולכן יקרים ויקרות לסביבה להשיג. Catalyst חומרים בהתבסס על מתכות זמינים יותר יהיו יתרונות כלכליים וסביבתיים.

ניתן להכין Aerogels רטוב ג'ל באמצעות מגוון של שיטות1. המטרה היא למנוע כיווץ הנקבוביות הממס הוסר מן הג'ל. תהליך המועסקים פרוטוקול זה היא שיטת החילוץ דודי סופר מהירה (RSCE) שבו מתרחשת החילוץ של ג'ל כלוא בתוך תבנית מתכת העיתונות חם הידראולי לתכנות13,14,15, 16. השימוש של תהליך RSCE זה הזיוף של סיליקה אירוג'ל מונוליתים הוכח בעבר פרוטוקול17, שבו הודגש זמן הכנה קצר יחסית הקשורים עם גישה זו. סופר CO2 החילוץ הוא בגישה יותר נפוץ, אבל לוקח יותר זמן ודורש שימוש גדול ממיסים (כולל CO2) מאשר RSCE. קבוצות אחרות פרסמו לאחרונה פרוטוקולים להכנה של מגוון סוגים של ניצול דודי סופר CO2 חילוץ18,19,20aerogels.

. הנה, פרוטוקולים בדיית ולבדיקה catalytically מגוון רחב של סוגי המכיל נחושת aerogels קטליטי מוצגים. מבוסס על ההפחתה לא CO חמצון פעילות דירוג של זרזים הנתמכות על-ידי פחמן מתכת בסיס תחת תנאים לעניין להפחתת זיהום כלי רכב שסופקו על-ידי. Kapteijn et al. 21, נחושת נבחר המתכת קטליטי לעבודה זו. ייצור גישות כוללות (א) העיבור (IMP) של מלחי נחושת לתוך אלומינה או סיליקה ג'ל רטוב11, (ב) באמצעות מלחי copper(II), אלומיניום כמו סימנים מקדימים משותף (Co-P) כאשר בדיית נחושת-אלומינה aerogels6,22, (ג) entrapping חלקיקים המכילים נחושת לתוך מטריצה אירוג'ל סיליקה במהלך ייצור10. בכל מקרה, שיטת RSCE משמש להסרת החומר הממיס של הנקבוביות. מרטיבים ג'ל מטריקס13,14,15.

פרוטוקול עבור הערכה של ההתאמה של חומרים אלה כמו TWCs עבור להפחתת זיהום כלי רכב, באמצעות איחוד קטליטי Testbed (ucat ב)23, מוצג גם. המטרה של מערכת ucat ב, מפתח חלקים אשר מוצגים סכמטי באיור1, היא לדמות את הכימיקל, תרמי, וזרימה תנאים ניסיון ממיר קטליטי מנוע בנזין טיפוסי. פונקציות ucat על ידי שהעביר תערובת הפליטה מדומה דוגמה אירוג'ל בקצב מבוקר טמפרטורה וזרימה. המדגם aerogel הוא נטען לתוך זרם מיטה ארוזה צינורי בקוטר 2.25 ס מתא (סעיף מבחן""), אשר מכיל את הדגימה בין שני מסכי. התא טעון זרימה ימוקם תנור כדי לשלוט גז הפליטה, זרז טמפרטורה, דגימות של פליטה שטופלו (קרי הפליטה זרמו דרך המיטה ארוזים) ואני לא מטופל גז (עקיפת קרי המיטה ארוזים) נבדקים בטווח טמפרטורות עד 700 ˚C. הריכוזים של שלושת מפתחות מזהמים - CO, לא, ו נישרף פחמימנים (HCs) - נמדדים באמצעות מנתח חמש-גז לאחר טיפול על ידי הזרז אירוג'ל, בנפרד, של מטופל זרימה (מעקף""); מנתונים אלה מחושבת ההמרה אחוז "" עבור כל מזהם. הבדיקה כפי שיתואר בהמשך, פליטה זמינים מסחרית תערובת, תערובת הועסק פליטה נמוכות של קליפורניה הלשכה של כלי רכב תיקון (בר) 97. פרטים מלאים של ucat ב's עיצוב ותפקוד מוצגים ברונו ואח23

figure-introduction-1
איור 1. סעיף מבחן ucat ב ומערכות הדגימה. הודפס מחדש באישור 2016-01-0920 (ברונו. et al. 23), זכויות יוצרים 2016 SAE. הבינלאומי. עוד הפצה של חומר זה לא מותרת ללא אישור מראש של SAE. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

שיקולי בטיחות: ללבוש בטיחות משקפיים או משקפי מגן וכפפות מעבדה בכלל פעמים כאשר ביצוע הכנה עובדים עם פתרונות כימיים, בעת טיפול ג'לים רטוב או aerogel קטליטי חומרים. ידית פרופילן אוקסיד, tetramethyl orthosilicate (TMOS), אתנול, מתנול, אמוניה, חלקיקים ופתרונות המכיל את כל אלה בתוך ברדס fume. קריאה בטיחות נתונים גיליונות (מרחביות) עבור כל כימיקלים, כולל חלקיקים, עובדים איתם. לובש מסכה חלקיקים כאשר ריסוק מדגמים אירוג'ל, ובמהלך והורדה של התא הבדיקה. ללבוש בטיחות משקפיים או משקפי מגן בעת הפעלה של העיתונות חם הידראולי או מיטה מבחן קטליטי. עניבה שיער ארוך בחזרה, לא ללבוש בגדים רפויים (צעיפים, לדוגמה) כאשר עובדים עם העיתונות חם. כאמור בפרוטוקול הקודם שלנו17, מעסיקים מגן בטיחות סביב העיתונות חם, כראוי פתח הקש וחמים יוודאו כי ישנם מקורות ההצתה לא בקרבת מקום. לספק אוורור נכון של המיטה מבחן וצגים כל גז מתיש and. להתקין לא ושותפיו גז בשטח המפעיל המשויך המיטה מבחן קטליטי. ללבוש כפפות התנור בעת הסרה או החלפה תא מבחן חם.

1. ייצור של אלומינה-נחושת סול ג'ל באמצעות מלחי נחושת

הערה: מתכונים אלומינה-נחושת (Al-Cu) סול ג'ל מוצגים בטבלה 1. כל פתרון ההכנות מתבצעות בתוך ברדס fume.

  1. להכין ריאגנטים ואספקה
    1. לאסוף ריאגנטים הדרושים: אלומיניום כלוריד hexahydrate חנקתי נחושת trihydrate, פרופילן אוקסיד, ריאגנט כיתה אתנול, אתנול מוחלטת.
    2. להשיג ציוד: נקי ויבש ספלים (שני 250-מ ל); מערבבים נקייה, יבשה, מגנטי בר; 50 או 100 מל בוגר צילינדר; מזרק אחד 10-mL תת-עורית; אחד מכויל המאזן הדיגיטלי.
    3. להשיג sonicator מעבדה-מידה קטן ולהכין לשימוש על ידי הוספת מים אל קו מילוי ולהבטיח כי שני ספלים ניתן להציב אותם sonicator ללא והתהפכה.
  2. לסנתז אלומינה-נחושת סול ג'ל באמצעות שיטת העיבור (Al-Cu IMP)
    1. באמצעות איזון דיגיטלי מכויל, שוקל לצאת 5.92 גר' אלומיניום כלוריד hexahydrate, ולהוסיף הספל 250 מל. להוסיף 40 מ"ל אתנול ריאגנט כיתה ובר מערבבים הספל 250 מל אותו. מכסים את. הספל עם הסרט פרפין והמקום על לוח מגנטי עבור ערבוב במהירות בינונית עד מלח אלומיניום יש התפרקה (כ- 15 דקות). להסיר את הספל צלחת מגנטית, לחשוף.
    2. השתמש במזרק 10-mL פירס מחצה על הבקבוק פרופילן אוקסיד ולהוסיף 8 מ ל באווירות כשהספל 250 מל. להחליף פרפין סרט על הספל ומניחים בצלחת מגנטי עבור ערבוב במהירות בינונית עד הפתרון יש הג'לי (כ- 5 דקות). הסר את הספל של לוח מגנטי ולאפשר ג'ל לגיל בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה.
    3. באמצעות איזון דיגיטלי מכויל, שוקל לצאת 1.4 גר' trihydrate חנקתי נחושת ולהוסיף גביע. להוסיף 40 מ"ל אתנול מוחלטת הספל. הכנס את הספל sonicator, sonicate עד מלח נחושת מתמוסס (כ- 10 דקות).
    4. לשפוך כל הממס עודף חופש ג'ל אלומינה, להסיר את סרגל stir, לשבור את הג'ל לתוך כמה חתיכות (5-10 מ מ בכל צד) בעזרת מרית. שופכים פתרון נחושת לתוך כשהספל המכיל את הג'ל. לכסות את הספל עם סרט פרפין, ולאפשר את הג'ל לגיל בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה.
    5. יוצקים את הממס עודף ולהוסיף 40 מ"ל אתנול מוחלטת טריים. להחליף פרפין הסרט על הספל, ולאפשר את הג'ל לגיל עבור עוד 24 שעות בטמפרטורת החדר.
    6. חזור על שלב 1.2.5 לפחות פעם אחת כדי להבטיח סילוק עודף פרופילן אוקסיד (ריאגנט) ו- תוצרי לוואי כל תגובה6.
    7. . המשך לצעוד 3 (עיבוד. לתוך Aerogels...) כדי לבצע חילוץ דודי סופר של הממס ג רטוב להניב aerogels.
  3. לסנתז אלומינה-נחושת סול ג'ל באמצעות שיטה קודמן שיתוף (Al-Cu שוטר)
    1. באמצעות איזון דיגיטלי מכויל, לשקול את g 4.52 של אלומיניום כלוריד hexahydrate ו- 1.4 גרם חנקת נחושת trihydrate. להוסיף מלחים אלה גביע נקי 250 מל. להוסיף 40 מ"ל אתנול ריאגנט כיתה ובר מערבבים הספל 250 מל. מכסים את. הספל עם הסרט פרפין והמקום על לוח מגנטי עבור ערבוב במהירות בינונית עד אלומיניום של מלחי נחושת יש מומס (כ- 15 דקות). הסר את הספל של לוח מגנטי, לחשוף.
    2. השתמשת במזרק 10-mL לנקב במחיצה על הבקבוק פרופילן אוקסיד, ולהוסיף 9.5 מ ל פרופילן אוקסיד כשהספל 250 מל. להחליף פרפין הסרט על כשהספל ומניחים על צלחת מגנטית. ומערבבים עד הפתרון יש הג'לי (15-20 דקות). הסר את הספל של לוח מגנטי ולאפשר את הג'ל לגיל בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה.
    3. לשפוך כל הממס עודף חופש ג'ל, לשבור את הג'ל לתוך כמה חתיכות (5-10 מ מ בכל צד) בעזרת מרית. להוסיף 40 מ"ל אתנול מוחלטת טריים גביע, גביע 250 מל מכסה עם סרט פרפין, ולאפשר את הג'ל לגיל בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה.
    4. יוצקים את הממס עודף ולהוסיף 40 מ"ל אתנול מוחלטת טריים. להחליף פרפין הסרט על הספל ולאפשר את הג'ל לגיל עבור עוד 24 שעות בטמפרטורת החדר.
    5. חזור על שלב 1.3.4. לפחות פעם אחת על מנת להסיר עודפי פרופילן אוקסיד, תוצרי לוואי כל תגובה.
    6. המשך שלב 3 (עיבוד. לתוך Aerogels...) כדי לבצע את החילוץ דודי סופר של הממס ג רטוב להניב aerogels.

2. ייצור של סיליקה-נחושת סול ג'ל באמצעות מלחי נחושת

הערה: המתכון סיליקה-נחושת (Cu-סי) סול ג'ל מוצג בטבלה מס ' 2. כל פתרון ההכנות מתבצעות בתוך ברדס fume.

  1. להכין ריאגנטים ואספקה
    1. לאסוף ריאגנטים הדרושים: tetramethyl orthosilicate (TMOS), מתנול, יונים מים, אמוניה, trihydrate חנקתי נחושת, אתנול מוחלטת.
    2. הפוך 100 מ של פתרון 1.5-מ אמוניה על ידי דילול 10.1 מ של 14.8-M אמוניה מרוכז עד 100 מ"ל מים יונים.
    3. להשיג ציוד: נקי ויבש ספלים (כולל 250 אחת-mL וגביע אחד 100-מ ל); מכויל פיפטות בנפח משתנה (1000-µL אחד אחד פיפטה דיגיטלי 10.0-mL עם טיפים המתאים הם מומלצים); אחד מ ל- 50 או 100-mL משורה; אחד מכויל המאזן הדיגיטלי.
    4. להשיג sonicator מעבדה-מידה קטן, להכין לשימוש על ידי הוספת מים אל קו מילוי ולהבטיח כי שני ספלים ניתן להציב אותם sonicator ללא והתהפכה.
  2. לסנתז סיליקה-נחושת סול ג'ל באמצעות שיטת העיבור (סי-Cu IMP)
    1. פיפטה 8.5 מ של TMOS לתוך כשהספל 250 מל. להוסיף מ 27.5 ל מתנול כשהספל 250-mL באמצעות משורה. פיפטה 3.6 מ ל מים לתוך כשהספל 250 מל. לכסות גביע 250-mL עם סרט פרפין, sonicate את התערובת עד שזה פתרון monophasic (5-10 דקות), לאחר מכן לחשוף.
    2. פיפטה 1.35 מ של 1.5-מ NH3 לתוך כשהספל 250 מל. להחליף פרפין הסרט על הספל, sonicate עד gelation (כ- 2 דקות). לאפשר את הג'ל לגיל בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה.
    3. באמצעות איזון דיגיטלי מכויל, שוקל לצאת 0.55 גר' trihydrate חנקתי נחושת ולהוסיף גביע 100-מ. הוסף 20 מ"ל אתנול מוחלטת גביע 100-מ. למקם את הספל 100-מ ל sonicator, sonicate עד מלח נחושת יש להתמוססות מלאה (כ- 10 דקות).
    4. לפרוץ את ג'ל סיליקה כמה חתיכות (5-10 מ מ בכל צד) בעזרת מרית, ולהוסיף פתרון נחושת כשהספל 250-mL המכיל את הג'ל. להחליף פרפין הסרט על הספל ולאפשר את הג'ל לגיל בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה.
    5. יוצקים את הממס עודף ולהוסיף 20 מ"ל אתנול מוחלטת טריים. להחליף פרפין הסרט על הספל ולאפשר ג'ל עד גיל עבור עוד 24 שעות ביממה.
    6. חזור על שלב 2.2.5. לפחות פעם אחת.
    7. המשך שלב 3 (עיבוד. לתוך Aerogels...) כדי לבצע את החילוץ דודי סופר של הממס ג רטוב להניב aerogels.

3. עיבוד אלומינה-נחושת, סיליקה-נחושת סול ג'ל עשה שימוש ב מלחי נחושת לתוך Aerogels באמצעות מיצוי דודי סופר מהיר

  1. להכין העיתונות חם ועובש
    1. השג של עובש פלדה אל חלד בגודל מתאים. לדוגמה, 12.7 ס"מ על 12.7 ס"מ x 1.8 ס מ עובש עם ארבע בארות עגולות מדידה 3.8 ס"מ קוטר ו 1.5 ס מ עומק.
    2. להכין חומר אטם. גזור איטום אטמים מספיק כדי לכסות את התבנית במלואה (בדוגמה זו, > 12.7 ס"מ x > 12.7 ס"מ) חומר אטם גרפיט 1.6-מ מעבה, רדיד אלומיניום מפלדת עבה 0.012-מ מ.
    3. תוכנית העיתונות חם להפקת אתנול, ראו טבלה 3 עבור פרמטרים.
  2. מבצע החילוץ דודי סופר בעיתונות חם
    1. בעקבות המרת אתנול והכנה של רטוב ג'ל (שלב 1.2.6, 1.3.5 או 2.2.6), decant ממס עודף.
    2. להפיץ את ג'לים סול רטוב לתוך הבארות של העובש, מרכז את התבנית על העיתונות חם חימום צלחת. למלא את כל טוב עם אתנול מוחלטת.
    3. מקום חומרים gasket, להשתמש בהן כדי לחסום את התבנית, על גבי כייר: פלדת אל-חלד לסכל קודם, ואז את גיליון גרפיט.
    4. להתחיל את תוכנית החילוץ העיתונות חם.
    5. התהליך השלם (כ- 5 שעות), להסיר עובש מהקש חם. הסרת חומר אטם כייר, ולהעביר aerogels לתוך מיכלים הדגימה.

4. ייצור של סיליקה נחושת-ננו-חלקיק-מסטול אירוג'ל מונוליתים (סי-Cu NP)

  1. להכין ריאגנטים ואספקה
    1. לאסוף ריאגנטים: TMOS, מתנול, מים יונים, 25 - ל 55 ננומטר בגודל (II) נחושת אוקסיד חלקיקים התפזרו במים ב 20 wt %, והפתרון אמוניה מימית 1.5-מ (כפי שמתואר בשלב 2.1.2.). סוגים שונים (חמצון הברית, גדלים) וריכוז של חלקיקים יכול לשמש עם התאמות למתכון.
    2. להכין אספקה: נקי ויבש ספלים (כולל אחת 250 מל אחד 100 מ ל); מכויל פיפטות בנפח משתנה (10 אחד-mL ו- 1,000 אחד-µL פיפטה דיגיטלי עם טיפים המתאים מומלצים); פיפטה חד פעמיות פסטר; אחד מכויל המאזן הדיגיטלי.
    3. להשיג sonicator מעבדה-מידה קטן, להכין לשימוש על ידי הוספת מים אל קו מילוי ולהבטיח כי שני ספלים ניתן להציב אותם sonicator ללא והתהפכה.
  2. להכין העיתונות חם ועובש
    1. להכין עובש פלדה בגודל מתאים. בדוגמה זו, 12.7 ס"מ x ס מ 12.7 ס מ x 1.905 עובש, עם תשעה מעגלי דרך בארות 1.905-ס מ קוטר. תרסיס בארות חומר סיכה בטמפרטורה גבוהה כדי להקל על הסרת aerogels לאחר העיבוד.
    2. להכין חומר אטם. לאסוף חומר אטם גרפיט 1.6-מ מעבה, 0.012-מ מעבה-נירוסטה רדיד, לחתוך שלוש חתיכות כל אחד מספיק בגודל כדי לכסות את התבנית במלואה (בדוגמה זו, > 12.7 ס"מ x > 12.7 ס"מ).
    3. תוכנית העיתונות חם עבור חילוץ ואטימות. עיין בטבלה 4 ו- 5 טבלה, בהתאמה, עבור תוכנית ערכים.
      הערה: איטום יש צורך למנוע שהנוזל מחלחל מתוך בארות פתוח-התחתון של העובש.
    4. במקום אטם חומר, כייר במרכז ומסבים העיתונות חם לפי הסדר הבא: גרפיט, רדיד אלומיניום, עובש, רדיד אלומיניום, גרפיט. הפעלת התוכנית איטום (באמצעות פרמטרים בטבלה4).
  3. להפוך קודמן פתרון עבור Aerogels NP סי-Cu
    הערה: המתכון אירוג'ל סיליקה המכיל חלקיקי תחמוצת % נחושת (II) של wt 5 רשום ב טבלה 6. ניתן לשנות את המתכון הזה לשלב כמויות אחוז משקל שונה של נחושת. כל הפתרונות צריכים להיות מטופלים, מעורב ברדס fume.
    1. במקום גביע 250-mL נקי על האיזון דיגיטלי מכויל, פיפטה כ 13 מיליליטר TMOS לתוך כשהספל 250 מל. הוסף TMOS נוספים לפי הצורך באמצעות פיפטה פסטר סך 13.04 גר' TMOS.
    2. Pipette סכום כולל של 32.63 גרם מתנול לתוך כשהספל 250 מל. פיפטה 3.90 g יונים מים לתוך כשהספל 250 מל.
    3. לנער 20% wt נחושת (II) nanodispersion אוקסיד כדי להבטיח כל חלקיקים אשר התיישבו לתחתית מחדש מושעה, ואז פיפטה 1.50 גר' nanodispersion לתוך כשהספל 250-mL של קודמן פתרון. פיפטה 200 µL של 1.5-מ אמוניה לתוך כשהספל 250 מל.
    4. מכסה את. הספל עם סרט פרפין, sonicate את התערובת למשך 5-10 דקות עד שזה פתרון monophasic.
  4. לבצע Gelation והפקת דודי סופר בעיתונות חם
    1. בתום התוכנית איטום, הסר את האטם העליון, מטפל לא לזוז העובש. בשלב זה, בתחתית התבנית נאטמה-
    2. למלא כל אחד טוב לחלוטין עם הפתרון מבשר.
      הערה: יהיו פתרון שאריות. זה יכול להיות שנמחקו או שמאלה להתייבש בתנאי הסביבה כדי להפוך xerogels.
    3. מניחים חתיכה טרייה של נייר אז חתיכה טרייה של גרפיט על העובש.
    4. להפעיל תוכנית החילוץ (שימוש בפרמטרים טבלה 5).
    5. כאשר תוכנית החילוץ הוא להשלים (כ- 8 שעות), להסיר את החומר אטם ולעצב מהעיתונות חם. בעדינות לקלף את החומר אטם מהחלק העליון של העובש וזורקים אותו. בזהירות לדחוף כל אירוג'ל לתוך מיכל הדגימה באמצעות אצבע בכפפות.

5. הפעלה המיטה מבחן קטליטי האיחוד

  1. להכין ולטעון מדגם
    1. למחוץ בקלילות כ 30 מ של אירוג'ל לחלקים כ 1 - 2 מ"מ קוטר בעזרת ומכתש. לא לרסק את אירוג'ל לאבקה.
    2. למדוד כ 30 מ של חתיכות אירוג'ל קטליטי באמצעות נקי, יבש משורה.
      הערה: Aerogels יתכווץ עם טיפול בחום, ולכן יש צורך להבטיח כי יש 15-20 מ ל אירוג'ל זמין לבדוק לאחר טיפול בחום.
    3. למקם את אירוג'ל כורי היתוך קרמיקה, לכסות את כורי היתוך באופן רופף, calcine תנור ב 800 הלעפה תרוטרפמט במשך 24 שעות ביממה.
    4. להסיר כורי היתוך של התנור ומצננים.
    5. למדוד 20 מיליליטר אירוג'ל שופכים לתוך מקטע מבחן ucat ב נקי, יבש, להוסיף ומציג מסך סיום כדי לשמור את המדגם במקום במהלך הבדיקה.
    6. סעיף מבחן עומס לתוך מכלול ucat ב באמצעות דיסקיות נחושת תופסנים כדי לאטום. באופן מאובטח לסגור את התנור ucat.
      הערה: כדי למנוע נזק תנור או מעגלי קצר חשמלי, ודא כי סעיף מבחן לא פנה אל הקיר הפנימי של התנור.
  2. הכנת המיטה מבחן קטליטי האיחוד
    1. בדיקת CO וגלאי אין שבתבנית ותפקוד.
    2. בדוק את אספקת הגז פליטה מדומה. החלף את הבקבוק הפליטה מדומה לפני תחילת הבדיקה אם הלחץ הוא מתחת 700 kPa.
    3. הגדר את וסת הלחץ של גז 345 kPa. הגדר וסת הלחץ אוויר 345 kPa. דליפה קווי זרימת גז הפליטה הבדיקה.
    4. הפעל ולאחר אפס מכוילת של חמישה מכשירים. אנלייזרים set כדי למדוד. להשאיר מנתחי למשך 30 דקות להתחמם.
    5. לקבוע את הטמפרטורה הרצויה תנור (בדרך כלל 200 הלעפה תרוטרפמט לקריאה ראשונה) ולהתחיל את התנור. ודא כי שסתום מעקף מוגדר לספק אוויר דרך התא הבדיקה.
    6. להתאים את בקרי קצב זרימת מסה כדי לספק כמויות נכונות של אוויר (נמצא בשימוש במהלך חימום), מדומה הפליטה (נמצא בשימוש במהלך הבדיקה) כדי לשמור על מהירות החלל הרצוי.
      הערה: במערכת זו מושגת על-ידי הגדרת המהירות הרצויה בחלל תוכנית שליטה של המערכת. בקרי זרימת מסה הם אוטומטיים ולהתאים את flowrates המוני לערכים הנדרשים, בהתבסס על הטמפרטורה בתנור, כדי לשמור על המהירות השטח שנבחר.
    7. להפעיל את לחמם / לטהר את זרימת האוויר דרך התא מבחן ולחכות הזרם דרך התא מבחן לייצב בטמפרטורה הרצויה מבחן (בדרך כלל 30 דקות).
  3. קח מדידה.
    1. מחדש אפס במנתח חמש-גז ולהגדיר את שסתום מעקף לשלוח זרימה כדי לעקוף את סעיף מבחן. תגביר את חמה / לטיהור אוויר.
    2. הפעל את זרימת הפליטה מדומה. לאפשר מאבחני גז חמש קריאות לייצב (כ 90 s) ולהקליט ריכוזי מזהמים מעקף (בקבוק הפליטה מדומה).
    3. הגדר את שסתום מעקף כדי לכוון את הזרם דרך סעיף מבחן. לאפשר חמש קריאות מנתח גז לייצב (בערך 360 s) רשומה מטופלים ריכוזי מזהמים פליטה ללא חמצן.
    4. הפעל תוספת חמצן לתערובת. לאפשר מאבחני גז חמש קריאות לייצב (כ 90 s) וחמצן הרשומה שטופלו עם-פליטה ריכוזי מזהמים.
    5. הגדר את שסתום מעקף לשלוח זרימה כדי לעקוף את סעיף מבחן. לאפשר מאבחני גז חמש קריאות לייצב (כ 90 s) ולהקליט שוב ריכוזי מזהמים מעקף (בקבוק הפליטה מדומה).
    6. כבה את זרימת הפליטה מדומה.
    7. הפרש קבוע טמפרטורה התנור למצב הרצוי הבא (בדרך כלל 50 הלעפה תרוטרפמט גבוה יותר), לאחר מכן חזור על שלבים 5.2.6 כדי 5.3.6. המשך עד מדידות הושלמו בטמפרטורה המרבית הרצויה (בדרך כלל הלעפה תרוטרפמט 600).
  4. סגירת המיטה מבחן קטליטי האיחוד
    הערה: לאחר השלמת הכביש העוקף הסופי (סוג ב 600 הלעפה תרוטרפמט) המבחן הוא מוחלט. סגור את המיטה הבדיקה.
    1. בטל את הפליטה מדומה בקבוק שסתומים, וסתים. לכבות את התנור, מנתח גז חמש ואוויר.
כימיתכמות (שיטת העיבור)כמות (שיטת קודמן משותף)
Alcl מערכתיות3•7H2O5.92 g4.52 g
Cu (3)2•3H2O1.4 גרם1.4 גרם
פרופילן אוקסיד8 מ9.5 מ
כיתה ריאגנט אתנול40 מ40 מ
אתנול מוחלטת120 מ120 מ

טבלה 1- מתכון להכנה של אלומינה-נחושת סול ג'ל.

כימיתכמות (שיטת העיבור)
TMOS8.5 מ
MeOH27.5 mL
H2O3.6 מ
NH 1.5-מ3 1.35 mL
אתנול מוחלטת60 מ
Cu (3)2•3H2O0.55 g

בטבלה 2. מתכון להכנה של סיליקה-נחושת סול ג'ל.

צעד #טמפרטורה (° C)Temp Rate (° C/דקה)כוח (kN)שיעור כוח (kN/דקה)זמן להתעכב (דקות)
13030020030000.25
22502.2200--30
3250--4.54.515
4302.24.5--1
5סוף

טבלה 3- תוכנית החילוץ חם-Press פרמטרים עבור סול אלומינה-נחושת ונחושת סיליקה ג'ל.

צעד #טמפרטורה (° C)Temp Rate (° C/דקה)כוח (kN)שיעור כוח (kN/דקה)זמן להתעכב (דקות)
1.--90300010
2סוף

בטבלה 4. חם-לחץ איטום תוכנית פרמטרים.

צעד #טמפרטורה (° C)Temp Rate (° C/דקה)כוח (kN)שיעור כוח (kN/דקה)זמן להתעכב (דקות)
13030018030000.25
22901.6180--30
3290--4.54.515
4401.64.5--1
5סוף

טבלה 5- חם-Press תוכנית החילוץ פרמטרים עבור סיליקה נחושת-ננו-חלקיק-מסטול aerogels.

כימיתכמות (mL)כמות (g)
TMOS12.7513.04
מתנול41.2532.63
מים3.93.9
Nanodispersion1.51.5
אמוניה0.20.15

טבלה 6- מתכון להרכבת 5 wt % סיליקה נחושת-ננו-חלקיק-מסטול Aerogels.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תמונות מצולמות של aerogels וכתוצאה מכך מוצגים באיור2. מכיוון ג'לים רטוב היו שבור לחתיכות לפני חילופי הממס, aerogels IMP באל-Cu ו- Si-Cu IMP הם חתיכות קטנות, חריגה מונוליטי. ברור מן הגיוון הדוגמאות הללו המכילים aerogels מינים נחושת, כי שינויים במבנה היווצרות המינים ו/או ליגנד נחושת להתרחש בתוך החומרים. Aerogels Al-Cu IMP (איור 2 א) מופיעים אדום בצבע ירוק-אפור צבע11. Aerogels Al-Cu שוטר (לא מוצג) הם ירוק עד ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

השירות של שיטת RSCE להרכבת aerogels קטליטי ומערכת ucat על הפגנת יכולת קטליטי הוכח בזאת. היתרונות העיקריים של פרוטוקולים אלה על פני שיטות אחרות הן את המהירות של RSCE אירוג'ל ייצור הגישה זול יחסית בדיקות קטליטי מאת ucat.

ניתן להכין ג'לים לחלץ באמצעות מגוון שיטות, כולל הספגה של מלחי מתכת אלומינה או סיליקה ג'ל רטוב מטריקס, הכללה של מלחי מתכת כמו מבשרי שיתוף עם מלחי אלומיניום, שילוב של מתכת המכיל חלקיקים לתוך סיליקה aerogels. כאשר הנקבוביות רטוב ג'ל מכילות רק אלכוהול, מים (דהיינו פרוטוקולים סיליקה)...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

פיתוח שיטות סינתזה aerogels קטליטי מומן באמצעות מענק קרן המדע הלאומית (NSF) לא. DMR-1206631. תכנון וביצוע של ucat ב מומן באמצעות ה-NSF גרנט לא. CBET-1228851. מימון נוסף סופק על ידי הקרן האיחוד למכללה סגל מחקר. המחברים גם רוצה להודות התרומות של טובין זכריה, Aude Bechu, ריאן Bouck, אדם Forti ויניקיוס סילבה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מיקרו-פיפטור משתנה, 100-1000 ומיקרו; Lמיוצר על ידי Eppendorf, נרכש מ-Fisher Scientific www.fishersci.comS304665Any 100-1000 µ L פיפטור מתאים.
פיפטור משתנה, 2.5-10 מ"למיוצר על ידי אפנדורף, נרכש מפישר סיינטיפיק www.fishersci.com21-379-25כל פיפטור משתנה מתאים.
מזרק פסטרפיפטות FisherScientific13-678-6A
נרכש ממזרק Z181390 פישר סיינטיפיקעם מחט
איזון דיגיטליOHaus Explorer Proכל איזון דיגיטלי מתאים.
כוסותשנרכשו מפישר סיינטיפיקכל זכוכית מתאימה.
צילינדר מדורגשנרכש מפישר סיינטיפיקכל גליל מדורג מזכוכית מתאים.
צלחת מגנטית/בוחשFisherScientific IsotempSP88854200Pכל צלחת/בוחש מגנטי מתאים.
מנקה אולטרסאונדFisherScientific FS6153356כל סוניקטור מתאים.
עובשמיוצר בביתלייצר מפלדה מגולגלת קרה או נירוסטה.
טטרהדרוןהידראולי בכבישה חמהMTP-14כל מכבש חם עם בקרת טמפרטורה וכוח יעבוד. זקוק לטמפרטורה מקסימלית של ~550 F וכוח מרבי של 24 טון.
UCAT (Union Catalytic Testbed)מיוצר בביתמתואר בפירוט בהתייחסות #21:  ברונו, B.A., אנדרסון, א.מ., קרול, מ.ק., ברוקמן, פ., סוונטון, ט., רמפל, י.א., פאלאס, ט. בדיקת סולם ספסל של זרזי אירוג'ל. נייר טכני של SAE 2016-01-920 (2016).
בר 97 גזPraxairMS_BAR97ZA-D7
Z261297 www.tetrahedronassociates.com

מקורות

  1. Aegerter, M. A., Leventis, N. Aerogels Handbook. Koebel, M. M. , Springer. New York, New York, USA. (2011).
  2. Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chem. Rev. 102 (11), 4243-4266 (2002).
  3. Schneider, M., Baiker, A. Aerogels in Catalysis. Catal. Rev. 37, 515-556 (1995).
  4. Vallribera, A., Molins, E. Aerogel Supported Nanoparticles in Catalysis. Nanoparticles and Catalysis. Astruc, D. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. Weinheim, Germany. (2007).
  5. Amonette, J. E., Matyas, J. Functionalized silica aerogels for gas-phase purification, sensing, and catalysis: A review. Mircopor. Mesopor. Mater. 250, 100-119 (2017).
  6. Juhl, S. J., Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Madero, J. E., Bono, M. S. Jr Epoxide-Assisted Alumina Aerogels by Rapid Supercritical Extraction. J. Non-Cryst. Solids. 426, 141-149 (2015).
  7. Catalyst, Catalytic Converter and Method for the Production Thereof. US Patent. , 9,358,534 (2016).
  8. Smith, L. C., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Preparation of vanadia-containing aerogels by rapid supercritical extraction for applications in catalysis. J. Sol-Gel Sci. Technol. 77, 160-171 (2016).
  9. Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina Sol Gels: Effects of Heat Treatment on Structure and Catalytic Ability. J. Non-Cryst. Solids. 453, 94-102 (2016).
  10. Anderson, A. M., Donlon, E. A., Forti, A. A., Silva, V., Bruno, B. A., Carroll, M. K. Synthesis and Characterization of Copper-Nanoparticle-Containing Silica Aerogel Prepared Via Rapid Supercritical Extraction for Applications in Three-Way Catalysis. MRS Advances. , 1-6 (2017).
  11. Tobin, Z. M., Posada, L. F., Bechu, A. M., Carroll, M. K., Bouck, R. M., Anderson, A. M., Bruno, B. A. Preparation and Characterization of Copper-containing Alumina and Silica Aerogels for Catalytic Applications. J. Sol-Gel Sci. Technol. , (2017).
  12. Heck, R., Farrauto, R., Gulati, S. Catalytic Air Pollution Technology. , 3rd, John Wiley & Sons Inc. Hoboken, New Jersey, USA. (2009).
  13. Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A Fast Supercritical Extraction Technique for Aerogel Fabrication. J. Non-Cryst. Solids. 350, 238-243 (2004).
  14. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent No. , 7,384,988 (2008).
  15. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent. , 8,080,591 (2011).
  16. Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a Rapid Supercritical Extraction Aerogel Fabrication Process: Prediction of Thermodynamic Conditions During Processing. J. Non-Cryst. Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
  17. Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method. J. Vis. Exp. (84), e51421(2014).
  18. Harper-Leatherman, A. S., Pacer, E. R., Kosciuszek, N. D. Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity. J. Vis. Exp. (109), e53802(2016).
  19. Subrahmanyam, R., Gurikov, P., Meissner, I., Smirnova, I. Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents. J. Vis. Exp. (113), e54116(2016).
  20. Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies. J. Vis. Exp. (105), e53235(2015).
  21. Kapteijn, F., Stegenga, S., Dekker, N. J. J., Bijsterbosch, J. W., Moulijn, J. A. Alternatives to noble metal catalysts for automotive exhaust purification. Catalysis Today. 16 (2), 273-287 (1993).
  22. Baumann, T., Gash, A., Chinn, S., Sawvel, A., Maxwell, R., Satcher, J. Synthesis of high-surface-area alumina aerogels without the use of alkoxide precursors. Chem. Mater. 17, 395-401 (2005).
  23. Bruno, B. A., Anderson, A. M., Carroll, M. K., Brockmann, P., Swanton, T., Ramphal, I. A., Palace, T. Benchtop Scale Testing of Aerogel Catalysts. SAE Technical Paper 2016-01-920. , (2016).
  24. Anderson, A. M., Wattley, C. W., Carroll, M. K. Silica Aerogels Prepared via Rapid Supercritical Extraction: Effect of Process Variables on Aerogel Properties. J. Non-Cryst. Solids. 355 (2), 101-108 (2009).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

ייצור ובדיקה של Aerogels קטליטי להכין אותה באמצעות מיצוי דודי סופר מהיר
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.