מאמר שיטה

הפסלים Microhoneycomb שהוכנו על ידי ליופיליזציה חד כיווני של Nanofiber תאית מבוססת Sols: שיטת והרחבות

DOI:

10.3791/57144

⸱

24 במאי 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Engineering Laboratory for Functionalized Carbon Materials and Shenzhen Key Laboratory for Graphene-based Materials, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, 3Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, 4Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute (TBSI), Tsinghua University, 5School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כללי כדי להכין מגוון הפסלים microhoneycomb (MHMs) ב איזה נוזל יכול לעבור דרך עם טיפה בלחץ נמוך מאוד. MHMs שהושג צפויים לשמש מסננים, זרז תומך, זרימה מסוג אלקטרודות, חיישנים, פיגומים עבור biomaterials.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מבנים חלת דבש מונוליטי היה אטרקטיבי לשדות רב תחומיים בשל יחס חוזק למשקל גבוה שלהם. במיוחד, הפסלים microhoneycomb (MHMs) עם סרגל מיקרומטר ערוצים צפויים כמו פלטפורמות יעילות תגובות והפרדות בגלל שלהם פני שטחים גדולים. עד עכשיו, MHMs הוכנו על ידי שיטה חד-כיוונית ליופיליזציה (UDF) רק מ מבשרי מוגבלת מאוד. במסמך זה, אנו מדווחים על פרוטוקול שממנו ניתן להשיג סדרה של MHMs המורכב מרכיבים שונים. לאחרונה, מצאנו את הפונקציה nanofibers תאית כסוכן ברורים הבימוי מבנה לקראת היווצרות של MHMs לאורך התהליך UDF. על ידי ערבוב של nanofibers תאית עם חומרים מסיסים במים שלא עונות MHMs, ניתן להכין מגוון רחב של MHMs ללא הפרדות צבע. זה מעשיר באופן משמעותי חוקת כימי MHMs לכיוון מיכלים.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כחומר חדש לגמרי, microhoneycomb מונולית (מסומן MHM) לאחרונה משכה תשומת לב אדירה בין שדות רב תחומי1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. MHM הוכן לראשונה על ידי Mukai ס' ואח . באמצעות ששונה חד כיווני ליופיליזציה (UDF) גישה כמו מונולית עם מערך של microchannels ישר עם דמוי חלת דבש חתכי רוחב9. MHM הנו ליתרונות הכלליים של מבנים חלת דבש, קרי, פסיפס יעיל, יחס חוזק למשקל גבוה, לחץ נמוך. יתרה מכך, לעומת המונולית חלת דבש עם מידה ערוץ גדול יותר, MHM יש הרבה שטח פנים גדול יותר ספציפי. השיטה UDF כרוך בצמיחה חד כיווני של גבישי קרח והפרדה שלב בו זמנית על הקפאה. לאחר הסרת גבישי הקרח, מתקבל רכיב מוצק יצוק על ידי הקריסטל קרח. המורפולוגיה שהוקמה על ההפרדה שלב תלוי באופי מהותי של מבשר (סול או ג'ל), ברוב המקרים, lamella10, סיבים11, עצם דג12 מבנים צפויים להקים במקום MHMs. כתוצאה מכך, היווצרות של MHMs דווחה רק ב מבשרי מוגבל, זה משמעותי יש הקשו המגוון של רכושם כימי. לאחרונה גילינו כי תאית nanofibers יש פונקציה הבימוי מבנה חזק לקראת הקמת המבנה MHM דרך תהליך UDF13. פשוט על ידי ערבוב של nanofibers תאית עם רכיבים אחרים של מים מסיסות, זה אפשרי להכין מגוון של MHMs עם מאפיינים כימיים שונים. יתר על כן, הערוץ הגדלים והצורות החיצוני שלהם הם בגמישות ובנוחות מבוקרת13. לפיכך, MHMs צפויים לשמש מסננים, תומך זרז, זרימה מסוג אלקטרודות, חיישנים, פיגומים biomaterials.

בנייר זה, קודם נסביר את הטכניקה הכנה בסיסית של MHMs הפיזור מימית של תאית nanofibers לאורך התהליך UDF בפירוט. יתר על כן, נדגים הכנת סוגים שונים של MHMs ללא הפרדות צבע.

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

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת 1 wt % 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (טמפו)-מתווכת תאית מחמצנים סול Nanofiber (TOCN)

הערה: סול מוגדר השעיה colloidal חלקיקי מוצק קטן מאוד במדיום נוזלי רציפה.

  1. להשעות 66.7 גר' זולה קראפט מולבן של Nadelholz (NBKP, המכיל 12 גרם תאית) ב- 700 מ ל מים (DI) יונים עם מסית מכני ב- 300 סל ד כעשרים דקות.
  2. להוסיף 20 מ"ל של תמיסה מימית של טמפו (מכיל 0.15 גרם של טמפו) ו- 20 מ ל תמיסה מימית של NaBr (המכיל 1.5 גר' NaBr) לאט לאט לעיל NBKP ההשעיה14,15.
  3. להתאים את רמת החומציות של המתלה הנ כ 10.5 (נמדד עם מד pH) עם אט הוספת פתרון NaOH 3.0 מ'.
  4. לאט לאט להוסיף כ 63.8 גרם תמיסה מימית NaClO (עם 6-14 wt % כלור פעיל) עם פיפטה התערובת הנ ל כדי להתחיל בתיווך טמפו חמצון.
  5. בעת הוספת NaClO, המשך להוסיף את הפתרון NaOH כדי לשמור את ה-pH של המערכת בטווח של 10.0 ל 10.5 ~. תהליך זה לוקח בערך 2.5 שעות.
  6. לשטוף את סיבי תאית מחמצנים בתיווך טמפו במים DI 3 פעמים (1200 מ ל מים DI בכל פעם) כדי להסיר את NaClO שיורית, NaOH וכימיקלים אחרים.
  7. פנקו את העיסה עם בלנדר מכני חזק להתערער סיבי תאית מחמצנים לתוך nanofibers. לבצע את הטיפול מכני היטב מספר פעמים בליווי תוספת כמות שווה של מים. לבסוף, מתקבל של % 1 wt בתיווך טמפו תאית מחמצנים סול nanofiber (TOCN). TOCNs יש בקוטר של 4 עד 6 ~ ננומטר, אורך 0.5 ל ~ 2 μm.
  8. אחסן את wt % TOCN סול 1 ב 4 ° C (תאית nanofibers נוטים להירקב בטמפרטורת הסביבה).

2. הכנת TOCN-קצף טבעי (SBR) מעורב סול

  1. להוסיף 0.21 גר' SBR קולואיד (48.5 wt %) 10 גרם של 1 wt % TOCN סול (שלב 11.7.) בתוך כלי זכוכית 20 מ.
  2. להתסיס את התערובת הנ ל למשך 3 דקות עם מערבל מערבולת באותה רמת כוח של 6 כדי להשיג את הזמנתכם מפוזר באופן אחיד של החנות סול התערובת הנ ב 4 ° C לפני השימוש.

3. הכנת TOCN-טיו2 מעורב סול

  1. להוסיף 0.1 גר' TiO2 חלקיקים (עם גודל החלקיקים הממוצע של 20 ננומטר) לתוך 10 גרם של wt 1% סול TOCN בתוך כלי זכוכית 20 מ ל.
  2. להתסיס את התערובת הנ עם מהמגן 10 דקות להשיג הזמנתכם מעורבים באופן שווה בצע הזה 10 דקות-תהליך לסירוגין, שכן כמות משמעותית של החום מופק בתהליך ותוצאות עליית טמפרטורה, אשר עלולה להיפגם TOCNs. אחסן את סול תערובת ב 4 ° C לפני השימוש.

4. הכנת TOCN-משטח מחומצן מעורב Sols סיב פחמן (SOCF)

  1. רפלוקס 1.7 g סיבי פחמן (רשת 300, עם קוטר של 5.5 כדי ~6.0 μm, באורך של 50 μm) ב- 150 מ ל חומצה חנקתית מרוכזת ב 60 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות להשיג SOCF16. להוסיף 0.01 גר' SOCF מעל 10 גרם של wt 1% סול TOCN בתוך כלי זכוכית 20 מ.
  2. טלטול-לערבב התערובת הנ ל, אולטרה-sonicate את התערובת למשך 5 דקות על מנת להשיג את הזמנתכם מעורבים באופן שווה של החנות סול תערובת ב 4 ° C לפני השימוש.

5. הכנת Microhoneycomb מונולית 1 wt % TOCN סול (מסומן MHM-TOCN)

  1. לטעון צינור פוליפרופילן (PP) (עם הקוטר הפנימי של 13 מ מ, קוטר חיצוני של 15 מ מ באורך של 150 מ מ) עם חרוזי זכוכית ומלא 5 ס מ בחלק התחתון של צינור13.
  2. לטעון כמות מסוימת (הכמות לא נשלט במשך כל הזמן, אבל הוא בדרך כלל גדול יותר מ 2.7 ל כדי להבטיח את תהליך חיתוך עוקבות) של wt 1% סול TOCN לתוך הצינור PP לעיל המכיל חרוזי זכוכית.
    הערה: TOCN סול היה מלא ישירות לתוך הצינור PP ללא יטפטף חרוזי זכוכית לצורך המחקר של אפקט המרחק שמעורב בתהליך ההקפאה חד כיווני. במקרה זה, הסכום של TOCN סול היה 11 מ.
  3. הסר בזהירות את הבועות שנוצרו ייתכן במהלך הטעינה סול. שמור את הצינור PP המכיל את סול TOCN ב 4 מעלות צלזיוס למשך הלילה לפני השימוש.
  4. לצרף את הצינור PP לעיל המכיל את סול TOCN אל המכונה טבילה המשמש עבור לקפוא חד כיווני. קבע את הפרמטרים הרלוונטיים ולהתחיל לחפור הצינור עמ' כד תרמו המכילה חנקן נוזלי (-196 מעלות צלזיוס) במהירות קבועה של 50 ס מ h-1 (איור 1).
  5. לחתוך את החלק צינור PP עם מסור, לפצח את החלק הקפוא של סול TOCN מספר חלקים. ההקפאה יבש מקטעים אלה עם מכונה להקפיא ייבוש-10 ° C עבור יום אחד, ואז ב-5 מעלות צלזיוס ליום 1, ולבסוף ב-0 מעלות צלזיוס עבור יום אחד. MHM-TOCN התקבל כמו הפסלים בצבע לבן (איור 1).

6. הכנת Microhoneycomb המונולית מהסרט TOCN-SBR מעורב סול (מסומן MHM-TOCN/SBR) ומעורבים TOCN-טיו2 סול (מסומן MHM-TOCN/TiO2 )

  1. לטעון צינורות פוליפרופילן (PP) (עם הקוטר הפנימי של 13 מ מ, קוטר חיצוני של 15 מ מ באורך של 150 מ מ) עם חרוזי זכוכית, מילוי 5 ס מ בחלק התחתון של הצינורות.
    הערה: חרוזי זכוכית משמשים כדי לכסות את האזור שבו מתרחשת הצמיחה קריסטל קרח לא יציב, כדי להשיג מדים מורפולוגיה של המדגם וכתוצאה מכך. גודל והן רכוש משטח של חרוזים זכוכית אינם משפיעים על המורפולוגיה של המדגם וכתוצאה מכך.
  2. לטעון כמות מסוימת (הכמות לא נשלט במשך כל הזמן, אבל הוא בדרך כלל גדול יותר מ 2.7 ל כדי להבטיח את תהליך חיתוך עוקבות) של TOCN-SBR מעורב סול או TOCN-טיו2 סול מעורב לתוך PP צינורות חרוזי זכוכית המכילה.
  3. הסר בזהירות את הבועות שנוצרו ייתכן במהלך הטעינה סול. לשמור את צינורות PP המכיל לעיל מעורבים sol ב 4 מעלות צלזיוס למשך הלילה לפני השימוש.
  4. לצרף את צינורות PP המכיל לעיל מעורבים sols למכונה טבילה המשמש עבור לקפוא חד כיווני. קבע את הפרמטרים הרלוונטיים ולהתחיל טובלים את הצינור PP לתוך טנק המכילה חנקן נוזלי (-196 מעלות צלזיוס) במהירות קבועה של 20 ס מ ה-1.
  5. לחתוך את החלק צינור PP עם מסור, לפצח את TOCN-SBR קפוא מעורבבות סול חלק בכמה קטעים.
  6. ההקפאה יבש מקטעים אלה עם מכונה להקפיא ייבוש-10 ° C עבור יום אחד, ואז ב-5 מעלות צלזיוס ליום 1, ולבסוף ב-0 מעלות צלזיוס עבור יום אחד. MHM-TOCN/SBR של MHM-TOCN/TiO2 התקבלו כמו הפסלים הלבנים.

7. הכנת Microhoneycomb המונולית מהסרט TOCN-SOCF מעורב סול (מסומן MHM-TOCN/SOCF)

  1. לטעון את צינור פוליפרופילן (PP) עם (הקוטר הפנימי של 13 מ מ), של הקוטר החיצוני של 15 מ מ, באורך של 150 מ מ עם חרוזי זכוכית, מילוי 5 ס מ בחלק התחתון של הצינור.
  2. לטעון כמות מסוימת (הכמות לא נשלט במשך כל הזמן, אבל הוא בדרך כלל גדול יותר מ 2.7 ל כדי להבטיח את תהליך חיתוך עוקבות) של TOCN-SOCF מעורב סול לתוך הצינור PP לעיל המכיל חרוזי זכוכית.
  3. הסר בזהירות את הבועות שנוצרו ייתכן במהלך הטעינה סול. לשמור את הצינור PP המכיל לעיל מעורבים sol ב 4 מעלות צלזיוס למשך הלילה לפני השימוש.
  4. לצרף את הצינור PP המכיל לעיל מעורבים סול אל המכונה טבילה המשמש עבור לקפוא חד כיווני. קבע את הפרמטרים הרלוונטיים ולהתחיל טובלים את הצינור PP לתוך טנק המכילה חנקן נוזלי (-196 מעלות צלזיוס) במהירות קבועה של 20 ס מ ה-1.
  5. לחתוך את החלק צינור PP עם מסור, לפצח את החלק הקפוא של סול TOCN-SOCF מספר חלקים. ההקפאה יבש מקטעים אלה עם מכונה להקפיא ייבוש-10 ° C עבור יום אחד, ואז ב-5 מעלות צלזיוס ליום 1, ולבסוף ב-0 מעלות צלזיוס עבור יום אחד. MHM-TOCN/SOCF היה מתקבל בתור מונולית לבן-אפור.

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

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מורפולוגיות לתפקידים שונים של MHM-TOCN לאורך הכיוון של הקפאה חד כיווני חקירה, באיור 2. עם המיקום להיות רחוק יותר בחלק התחתון של MHM-TOCN, התגלה שינוי הדרגתי מורפולוגיה (איור 2, דיון). על ידי הצגת רכיב שני לתוך סול TOCN לטופס של סול תערובת הומוגנית, זה אפשרי להכין סוגים שונים של MHMs ללא הפרדות צבע. לדוגמה, MHMs ללא הפרדות צבע כולל SBR (איור 3 א), TiO2 (

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

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השלב הקריטי ביותר להשגת את MHMs הוא הצעד מקפיא חד כיווני, במהלך מים עפור יוצרים גבישי קרח טורי ולדחוף את dispersoid הצידה כדי ליצור את המסגרת. תהליך ההקפאה חד כיווני בעיקרון כרוך העברה תרמית בין סול מבשר את הקירור. ההתקנה שלנו, מכונת וטבלו שימשה להוספת צינור PP המכיל של סול קודמן לתוך הקירור (חנקן נוזלי) עם מהירות קבועה. מאז ממשיך חנקן נוזלי מתאדים כל הזמן, הדרגתי טמפרטורת fluctuant נוצר מעל רמת חנקן נוזלי. לפני נגיעה רמת חנקן נוזלי, הצינור PP חוותה באופן בלתי נמנע חילוף חום עם האוויר הקר מעל רמת חנקן נוזלי, אשר גרמה התנ...

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

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אין לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי הלאומי בסיסי מחקר תוכנית של סין (2014CB932400), הלאומי מדעי הטבע קרן של סין (' קט ' 51525204 ו- U1607206) פרוייקט מחקר בסיסי שנג'ן (מס ' JCYJ20150529164918735). בנוסף, ברצוננו להודות בע מ Daicel-Allnex, JSR ושות' פוליאוריתנים המספקת בחביבות, קצף טבעי, בהתאמה.

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

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Nadelholz Bleached Kraft PulpSeioko PMC companyCSF=600
TEMPOMacklin Inc.T81912998%
NaBrMacklin Inc.S818075AR, 99%
NaClOAladin Inc.S1016366-14% wt% בסיס כלור פעיל
SBR קולואידJSR corp.TRD102A48.5 wt%
TiO2Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.A63725402סיבי פחמן שלב אנטאז גבישי
שנזן שיאן גו בע"מXGCP-300
חומצה חנקתיתHuada Reagent בע"מ7697-37-265-68 wt%
מיקסרתעשיות מדעיות, בע"מG-560המיקסר 
בלנדר מכניוורינג לאב בע"מMX1000XTXלפירוק צרורות תאית לננו-סיבים.
הומוגנייזרסיינטז בע"מHXF-DYלפיזור TiO2 ננו-חלקיקים
מד pH הוריבה בע"מF-74BW

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
  2. Mukai, S. R., Nishihara, H., Yoshida, T., Taniguchi, K., Tamon, H. Morphology of resorcinol-formaldehyde gels obtained through ice-templating. Carbon. 43 (7), 1563-1565 (2005).
  3. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
  4. Nishihara, H., et al. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 16 (31), 3231-3236 (2006).
  5. Mukai, S. R., Mitani, K., Murata, S., Nishihara, H., Tamon, H. Assembling of nanoparticles using ice crystals. Mater. Chem. Phys. 123 (2), 347-350 (2010).
  6. Cui, K., et al. Self-assembled microhoneycomb network of single-walled carbon nanotubes for solar cells. J. Phy. Chem. Lett. 4 (15), 2571-2576 (2013).
  7. Xu, T., Wang, C. -A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3 ceramics prepared by freeze-casting process. J. Eur. Ceram. Soc. 36 (10), 2647-2652 (2016).
  8. Yoshida, S., et al. CO2 Separation in a flow system by silica microhoneycombs loaded with an ionic liquid prepared by the ice-templating method. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (10), 2834-2839 (2017).
  9. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals. Chem. Commun. (7), 874-875 (2004).
  10. Gutie´rrez, M. C., et al. Macroporous 3D Architectures of Self-Assembled MWCNT Surface Decorated with Pt Nanoparticles as Anodes for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Phys. Chem. C. 111, 5557-5560 (2007).
  11. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Morphology maps of ice-templated silica gels derived from silica hydrogels and hydrosols. Micropor. Mesopor. Mat. 116 (1-3), 166-170 (2008).
  12. Okaji, R., Taki, K., Nagamine, S., Ohshima, M. Preparation of porous honeycomb monolith from UV-curable monomer/dioxane solution via unidirectional freezing and UV irradiation. J. Appl. Polym. Sci. 125 (4), 2874-2881 (2012).
  13. Pan, Z. -Z., et al. Cellulose nanofiber as a distinct structure-directing agent for xylem-like microhoneycomb monoliths by unidirectional freeze-drying. ACS Nano. 10 (12), 10689-10697 (2016).
  14. Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J. -L., Vigon, M., Isogai, A. Homogeneous Suspensions of Individualized Microfibrils from TEMPO-Catalyzed Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 7 (6), 1687-1691 (2006).
  15. Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
  16. Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
  17. Nishihara, H. Study on the simultaneous control of the nanostructure and morphology of the porous materials prepared via the ice-templating method [D]. , Kyoto University. Kyoto. (in Japanese) (2005).
  18. Zhang, R., et al. Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying. Nano Research. 7 (10), 1477-1487 (2014).
  19. Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975(2013).

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

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

MHMs

מאמרים קשורים