Een ultrafijne aluminiumhydroxide nanodeeltjesuspensie werd bereid via de gecontroleerde titratie van [Al (H20)] 3+ met L-arginine tot pH 4,6 met en zonder kooi-effectbevestiging binnen mesoporeuze kanalen van MCM-41.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Facile Voorbereiding van Ultrafine Aluminium Hydroxide Partikels Met Of Zonder Mesoporeuze MCM-41 In Omgevingen Omgevingen
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een waterige suspensie van nanogibbsite werd gesynthetiseerd via de titratie van aluminium aquazuur [Al (H20) 6 ] 3+ met L-arginine tot pH 4,6. Aangezien de hydrolyse van waterige aluminiumzouten bekend is om een breed scala aan producten te produceren met een breed scala van grootteverdelingen, zijn er een verscheidenheid van state-of-the-art instrumenten ( dwz 27 Al / 1H NMR, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD en BET) werden gebruikt om de synthese producten en identificatie van bijproducten te karakteriseren. Het product, dat was samengesteld uit nanodeeltjes (10-30 nm), werd geïsoleerd onder toepassing van gel permeatie chromatografie (GPC) kolom techniek. Fourier transform infrarood (FTIR) spectroscopie en poeder röntgen diffractie (PXRD) identificeerde het gezuiverde materiaal als de gibbsite polymorf van aluminiumhydroxide. De toevoeging van anorganische zouten ( bijv . NaCl) geïnduceerde elektrostatische destabilisatie van de suspensie, waardoor de nanodeeltjes aan je worden geagglomereerdLd Al (OH) 3 neerslag met grote deeltjesgroottes. Door gebruik te maken van de hier beschreven nieuwe synthetische methode werd Al (OH) 3 gedeeltelijk geladen in het hoogbestelde mesoporeuze kader van MCM-41, met gemiddelde poriedimensies van 2,7 nm, waardoor een aluminosilicaatmateriaal met zowel octaedrische als tetrahedrale Al (Oh / T d = 1,4). Het totale Al-gehalte, gemeten met behulp van energie-dispersieve röntgenspektrometrie (EDX), was 11% w / w met een Si / Al-molverhouding van 2,9. Een vergelijking van bulk EDX met X-ray foto-elektronen spectroscopie (XPS) elementaire analyse leverde inzicht in de verdeling van Al binnen het aluminosilicaatmateriaal. Verder werd een hogere verhouding Si / Al waargenomen op het buitenoppervlak (3.6) in vergelijking met het bulk (2,9). Aanpassingen van O / Al-verhoudingen suggereren een hogere concentratie Al (O) 3 en Al (O) 4 groepen in de buurt van respectievelijk de kern en het externe oppervlak. De nieuw ontwikkelde synthese van Al-MCM-41 levert een reLatief hoog Al-gehalte, met behoud van de integriteit van het geordende siliciumdioxide kader en kan worden gebruikt voor toepassingen waarbij gehydrateerde of watervrije Al203 nanodeeltjes voordelig zijn.
Inleiding
Materialen van aluminiumhydroxide zijn veelbelovende kandidaten voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen, waaronder katalyse, farmaceutica, waterbehandeling en cosmetica. 1 , 2 , 3 , 4 Bij verhoogde temperaturen absorbeert aluminiumhydroxide een aanzienlijke hoeveelheid warmte tijdens ontleding om alumina (Al203) op te leveren, waardoor het een bruikbaar vlamvertragend middel is. 5 De vier bekende polymorfen van aluminiumhydroxide ( dwz gibbsite, bayeriet, nordstrandite en doyleiet) zijn onderzocht met behulp van berekenings- en experimentele technieken om ons begrip van de vorming en structuren daarvan te verbeteren 6 . De bereiding van nanoschaaldeeltjes is van bijzonder belang door hun potentie om kwantumeffecten en eigenschappen te verschillen die verschillen van die van deR bulk tegenhangers. Nanogibbsite deeltjes met afmetingen in de orde van 100 nm worden gemakkelijk bereid onder verschillende omstandigheden 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .
Het overwinnen van inherente uitdagingen in verband met het verminderen van de deeltjesgroottes verder is moeilijk; Daarom bestaan er maar een paar gevallen waar nanogibbsite deeltjes afmetingen hebben op de orde van 50 nm. 14 , 15 , 16 , 17 Naar ons beste weten is er geen melding gemaakt van nanogibbsite deeltjes kleiner dan 50 nm. Dit komt onder meer toe aan het feit dat nanodeeltjes zich doorgaans agglomereren door elektrostatische instabiliteitEn de hoge kans op de vorming van waterstofbindingen tussen de colloïdale deeltjes, vooral in polaire protische oplosmiddelen. Ons doel was om kleine Al (OH) 3 nanodeeltjes te synthetiseren door uitsluitend veilige ingrediënten en precursoren te gebruiken. In het huidige werk werd waterige deeltjesaggregatie geïnhibeerd door een aminozuur ( dat wil zeggen L-arginine) als buffer en stabilisator in te nemen. Bovendien wordt gemeld dat het guanidinium bevattende arginine de groei van aluminiumhydroxide deeltjes en aggregatie verhinderde om een waterige colloïdale suspensie te verschaffen met gemiddelde deeltjesgroottes van 10-30 nm. Hier wordt voorgesteld dat de amfotere en zwitterionische eigenschappen van arginine de oppervlakte-lading van aluminiumhydroxide nanodeeltjes gedurende de milde hydrolyse verzachten om de deeltjesgroei buiten 30 nm te ontmoedigen. Hoewel arginine niet in staat was de deeltjesgrootte onder 10 nm te verminderen, werden dergelijke deeltjes bereikt door gebruik te maken van het "kooi" -bevestigingseffect witHin de mesoporen van MCM-41. Karakterisering van het Al-MCM-41 samengesteld materiaal onthulde ultrafijne aluminiumhydroxide nanodeeltjes in het mesoporeuze silica, dat een gemiddelde poriegrootte van 2,7 nm heeft.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Al (OH) 3 nanodeeltjesynthese
- Los 1,40 g aluminiumchloride hexahydraat op in 5,822 g gedeïoniseerd water.
- Voeg 2,778 g L-arginine toe aan de waterige aluminiumchlorideoplossing onder magnetisch roeren. Voeg het L-arginine langzaam toe, zodat het toegevoegde arginine oplost en geen grote klompen of brokken vormt; Bovendien vermindert een langzame toevoeging lokale concentraties van alkaliniteit en verschaft de voorwaarden voor een meer beheersbare hydrolyse.
- Zodra alle arginine in de oplossing is opgelost, verwarm de oplossing gedurende 72 uur bij 50 ° C; Op dit moment kan de oplossing verschijnen als een bewolkte suspensie.
2. Neerslaan Al (OH) 3 met NaCl
- Bereid een GPC-kolom op die 49 is lang en 1,125 in diameter. Pak de gel in opeenvolgende stappen van het toevoegen van gel en laat water door de kolom stromen om te zorgen voor een goede verpakking, met een minimale ruimte tussen de gelkralen. Pak deGel tot ongeveer 80% van de kolom; De hoeveelheid gel verpakt varieert elke keer en beïnvloedt alleen de retentietijd van de gescheiden soorten.
- Voeg 10 ml van gesynthetiseerde Al (OH) 3 nanodeeltjesuspensie (bereid in stap 1.3) in de kolom door gebruik te maken van een HPLC-pomp met een injectorlus van 10 ml. Custom-maak de injectorlus met behulp van buizen met een externe diameter van ongeveer 0.125 in en een lengte die is gekalibreerd om 10 ml geïnjecteerd monster te leveren.
- Verzamel de kolom elutie in intervallen die correleren met de dri piek locatie. Sluit de GPC-uitgang aan op de ingang van een differentiële brekingsindex (dRI) detector.
OPMERKING: Aangezien gescheiden soorten uit de GPC komen, verschijnen ze op de dRI-detector als een piek en worden ze vervolgens verzameld in 125 ml flessen. De GPC-kolom produceert twee goed opgeloste pieken, die beide worden verzameld en geanalyseerd met grootte-uitsluiting chromatografie (SEC) en elementaire analyse (EA) om arginine van aluminium speels te onderscheidenCies. Het totale verzamelde volume hangt af van de grootte van de GPC-kolom, de totale hoeveelheid verpakkingsmateriaal die wordt gebruikt en de doorstroming van het gedeïoniseerd water dat gebruikt wordt om de kolom te elueren.- Verzamel de meerderheid van de piek 1 fractie gedurende 100 minuten bij een stroomsnelheid van 0,2 ml / min.
- Verzamel het eluent in 30 minuten intervallen zodra er een piek komt op de RI-detector van de GPC-kolom.
OPMERKING: Het wijzigen van het interval bereik zal de concentratie en zuiverheid van het resulterende gezuiverde piek 1 materiaal veranderen. Het is beter om eerst kleine intervallen van de piek te verzamelen om te bepalen welk gedeelte de hoogste concentratie en zuiverheid van piek 1 soorten voor een specifieke kolom bevat.
- Bereid 1 gew.% NaCl op.
- Voeg de bereide NaCl-oplossing druppelsgewijs toe aan 10 ml gezuiverde Al (OH) 3 nanodeeltjes; Het materiaal dat bereid is met gebruikmaking van NaCl-precipitatie wordt niet gebruikt voor verdere experimenten.
3. Bereiding van Al-MCM-41
- acOngeveer 1,0 g MCM-41 bij 120 ° C onder vacuüm gedurende 3 uur in een vacuümoven afsluiten.
- Bereid 50,0 g aluminiumchlorideoplossing door 9,6926 g AlCl3 · 6H20 met 40,3074 g gedeïoniseerd water te combineren.
- Voeg 0,7 g geactiveerde MCM-41 toe aan 50,0 g aluminiumchlorideoplossing (bereid in stap 3.2).
- Laat een voldoende mengtijd (1 uur) toe om de homogeniteit van de AlCl3 te verspreiden, verspreid over de MCM-41 kanalen.
- Voeg L-arginine aan het heterogene mengsel toe aan een Arg / Al molverhouding van 2,75 onder magnetisch roeren. Net als bij stap 1.2, voeg het arginine langzaam genoeg toe, zodat de onmiddellijk gevormde flocculaten het klumping van het arginine opnieuw oplossen en verminderen alvorens de toevoeging voort te zetten.
- Zodra het eenmaal homogeen is, verwarm het mengsel gedurende 72 uur bij 50 ° C.
- Filter de verkregen heterogene oplossing met behulp van een Buchner-trechter, onder vacuüm en uitgerust met kwalitatieve 90 mm filterpapiercirkels(Of andere passende filterpapieren).
- Was het gefilterde witte poeder met overmatig gedeïoniseerd water om te zorgen voor het verwijderen van niet gereageerd aluminiumchloride, arginine of in water oplosbare bijproducten van het geproduceerde Al-MCM-41 materiaal.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Nanogibbsite Synthesis
Nanogibbsite werd bereid door AlCl3 · 6H20 (14 gew.%) Met L-arginine te titreren tot een uiteindelijke Arg / Al molverhouding van 2,75. De synthese van nanogibbsite deeltjes werd gecontroleerd via SEC, die een veel gebruikte analysetechniek is voor gedeeltelijk gehydrolyseerde oplossingen van aluminiumchloride, die in staat zijn om vijf domeinen te onderscheiden die arbitrair zijn aangeduid als pie...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De bereiding van een waterige aluminiumchlorideoplossing heeft het gebruik van een kristallijn hexahydraatzout van aluminiumchloride toegepast. Hoewel de watervrije vorm ook kan worden gebruikt, heeft het geen voorkeur door zijn significante hygroscopische eigenschappen, waardoor het moeilijk is om te werken met en de concentratie van aluminium te beheersen. Het is opmerkelijk dat aluminiumchlorideoplossing binnen enkele dagen van de bereiding gebruikt moet worden, omdat de [Al (H2O) 6 ] 3 + aquazu...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs verlenen hun waardering aan Dr. Thomas J. Emge en Wei Liu van Rutgers University voor hun analyse en expertise in kleine hoekröntgendiffractie en poederröntgendiffractie. Bovendien erkennen de auteurs Hao Wang voor zijn steun met de N 2 adsorptie experimenten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| aluminiumchloride hexahydraat | Alfa Aesar | 12297 | |
| L-arginine | BioKyowa | N/A | |
| aluminiumhydroxide | Sigma Aldrich | 239186 | |
| Bio-Gel P-4 Gel | Bio-Rad | 150-4128 | |
| Mesoporeus silica (MCM-41 type) | Sigma Aldrich | 643645 |
Referenties
- Laden, K. Antiperspirants and Deodorants. , 2nd, Marcel Dekker, Inc. New York. (1999).
- Kumara, C. K., Ng, W. J., Bandara, A., Weerasooriya, R. Nanogibbsite: Synthesis and characterization. J. Colloid Interface Sci. 352 (2), 252-258 (2010).
- Demichelis, R., Noel, Y., Ugliengo, P., Zicovich-Wilson, C. M., Dovesi, R. Physico-Chemical Features of Aluminum Hydroxides As Modeled with the Hybrid B3LYP Functional and Localized Basis Functions. J.Phys. Chem. C. 115 (27), 13107-13134 (2011).
- Elderfield, H., Hem, J. D. The development of crystalline structure in aluminum hydroxide polymorphs on ageing. Mineral. Mag. 39, 89-96 (1973).
- Wang, S. L., Johnston, C. T. Assignment of the structural OH stretching bands of gibbsite. Am. Mineral. 85, 739-744 (2000).
- Balan, E., Lazzer, M., Morin, G., Mauri, F. First-principles study of the OH-stretching modes of gibbsite. Am. Mineral. 91 (1), 115-119 (2006).
- Scherrer, P. Bestimmung der Grosse und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen . Gottingen. 26, 98-100 (1918).
- Langford, J. I., Wilson, A. J. C. Scherrer after sixty years: a survey and some new results in the determination of crystallite size. J. Appl. Cryst. 11 (2), 102-113 (1978).
- Swaddle, T. W., et al. Kinetic Evidence for Five-Coordination in AlOH(aq)2+ Ion. Science. 308 (5727), 1450-1453 (2005).
- Casey, W. H. Large Aqueous Aluminum Hydroxide Molecules. Chem. Rev. 106 (1), 1-16 (2006).
- Lutzenkirchen, J., et al. Adsorption of Al13-Keggin clusters to sapphire c-plane single crystals: Kinetic observations by streaming current measurements. Appl. Surf. Sci. 256 (17), 5406-5411 (2010).
- Mokaya, R., Jones, W. Efficient post-synthesis alumination of MCM-41 using aluminum chlorohydrate containing Al polycations. J. Mater. Chem. 9 (2), 555-561 (1999).
- Brunauer, S., Deming, L. S., Deming, W. E., Teller, E. On a Theory of the van der Waals adsorption of gases. J. Am. Chem. Soc. 62 (7), 1723-1732 (1940).
- Kresge, C. T., Leonowicz, M. E., Roth, W. J., Vartuli, J. C., Beck, J. S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature. 359 (6397), 710-712 (1992).
- Zeng, Q., Nekvasil, H., Grey, C. P. Proton Environments in Hydrous Aluminosilicate Glasses: A 1H MAS, 1H/27Al, and 1H/23Na TRAPDOR NMR Study. J. Phys. Chem. B. 103 (35), 7406-7415 (1999).
- Kao, H. M., Grey, C. P. Probing the Bronsted and Lewis acidity of zeolite HY: A 1H/27Al and 15N/27Al TRAPDOOR NMR study of mono-methylamine adsorbed on HY. J. Phys. Chem. 100 (12), 5105-5117 (1996).
- DeCanio, E. C., Edwards, J. C., Bruno, J. W. Solid-state 1H MAS NMR characterization of γ-alumina and modified γ-aluminas. J. Catal. 148 (1), 76-83 (1994).
- Shafran, K. L., Deschaume, O., Perry, C. C. The static anion exchange method for generation of high purity aluminium polyoxocations and monodisperse aluminum hydroxide nanoparticles. J. Mater. Chem. 15 (33), 3415-3423 (2005).
- Vogels, R. J. M. J., Kloprogge, J. T., Geus, J. W. Homogeneous forced hydrolysis of aluminum through the thermal decomposition of urea. J. Colloid Interface Sci. 285 (1), 86-93 (2005).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
