Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fabricage en beproeving van katalytische Aerogels bereid Via snelle superkritische extractie

7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/57075

⸱

31 augustus 2018

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

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Hier presenteren we protocollen voor het voorbereiden en testen van katalytische aerogels door het opnemen van metaal soorten in silica en aluminiumoxide aerogel platformen. Methoden voor het voorbereiden van materialen met behulp van zouten koper en koper-bevattende nanodeeltjes worden gekenmerkt. Katalytische testprotocollen tonen de effectiviteit van deze aerogels voor drieweg katalyse toepassingen.

Samenvatting

Protocollen voor het voorbereiden en testen van katalytische aerogels door het opnemen van metaal soorten in silica en aluminiumoxide aerogel platformen worden gepresenteerd. Drie bereidingswijzen worden beschreven: (a) de opneming van metalen zouten in kiezelzuur of aluminiumoxide natte gelen een impregnering methode; (b) de opneming van metalen zouten in natte gels aluminiumoxide met behulp van een voorloper van de co-methode; en (c) de toevoeging van metalen nanodeeltjes rechtstreeks in een silica aerogel voorloper mengsel. De methoden maken gebruik van een hydraulische hot press, dat voorziet in snelle (< 6 h) superkritische extractie en resultaten in aerogels van lage dichtheid (0,10 g/mL) en hoge oppervlakte (200-800 m2/g). Terwijl het werk gepresenteerd hier richt zich op het gebruik van KOPERZOUTEN en koperen nanodeeltjes, kan de aanpak worden geïmplementeerd met andere metalen zouten en nanodeeltjes. Een protocol voor het controleren van de mogelijkheid drieweg katalysator van deze aerogels voor automotive verontreiniging mitigatie is ook gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van op maat gemaakte apparatuur, de Unie katalytische Testbed (UCAT), waarin een mengsel van gesimuleerde uitlaat over een aerogel monster bij een gecontroleerde temperatuur en stroomsnelheid wordt doorgegeven. Het systeem is geschikt voor het meten van het vermogen van de katalytische aerogels, onder beide oxiderende en vermindering van voorwaarden, als u wilt converteren van CO, niet en onverbrande koolwaterstoffen (HCs) minder schadelijke soorten (CO2, H2O en N2). In het volgende voorbeeld katalytische resultaten worden gepresenteerd voor de aerogels beschreven.

Inleiding

Aerogels silica en aluminiumoxide gebaseerde hebben opmerkelijke eigenschappen, met inbegrip van lage dichtheid, hoge poreusheid, hoge oppervlakte, goede thermische stabiliteit en lage thermische geleidbaarheid1. Deze eigenschappen maken de aerogel materialen aantrekkelijk voor een verscheidenheid van toepassingen1,2. Een toepassing die gebruik maakt van de thermische stabiliteit en hoge oppervlakte van aerogels is heterogene katalyse; diverse artikelen bekijken de literatuur in dit gebied2,3,4,5. Er zijn vele benaderingen van de fabricage van aerogel gebaseerde katalysatoren, met inbegrip van de oprichtingsakte of beklemming van katalytische soorten in het kader van een kiezelzuur of aluminiumoxide aerogel5,6,7, 8,9,10,11. Het huidige werk richt zich op protocollen voor bereiding via snelle superkritische extractie (RSCE) en katalytische testen van aerogel materialen voor automotive verontreiniging mitigatie en koper-bevattende aerogels gebruikt als voorbeelden.

Drie-weg katalysator (TWCs) zijn vaak werkzaam in verontreiniging mitigatie apparatuur voor benzine motoren12. Moderne TWCs bevatten platina, palladium en/of rhodium, platina-groep metalen (PGMs), die zeldzaam zijn en dus dure en ecologisch duur te verkrijgen. Katalysator materialen gebaseerd op gemakkelijker verkrijgbaar metalen zou hebben aanzienlijke economische en ecologische voordelen.

Aerogels kan worden bereid uit natte gels met behulp van een verscheidenheid van methode1. Het doel is te voorkomen dat instorting van de porie als oplosmiddel wordt verwijderd uit de gel. Het proces van werkzaamheden in loondienst in dit protocol is een extractiemethode van de snelle superkritische (RSCE) waarin de winning van een gel beperkt binnen een metalen mal in een programmeerbare hydraulische hot press13,14,15plaatsvindt, 16. Het gebruik van dit RSCE proces voor de fabrikatie van silica aerogel monolieten is eerder aangetoond in een protocol17, waarin de relatief korte voorbereidingstijd die zijn gekoppeld aan deze benadering werd benadrukt. Superkritische CO2 extractie is een meer gemeenschappelijke aanpak, maar kost meer tijd en meer gebruik van oplosmiddelen (waaronder CO2) vereist dan RSCE. Andere groepen hebben onlangs gepubliceerd protocollen voor bereiding van een verscheidenheid van aerogels met behulp van superkritische CO2 extractie18,19,20soorten.

Hier worden de protocollen voor het fabriceren en catalytically testen een verscheidenheid van soorten koper-bevattende katalytische aerogels gepresenteerd. Op basis van de vermindering van NO en CO oxidatie activiteit ranking van koolstof-ondersteunde onedel metaal katalysatoren onder omstandigheden van belang auto vervuiling tegengaan geboden door Kapteijn et al. 21, koperen werd geselecteerd als de katalytische metaal voor dit werk. Fabricage benaderingen omvatten a impregneren (IMP) van KOPERZOUTEN in aluminiumoxide of kwartsglas natte gels11, (b) met behulp van copper(II) en aluminium zouten als co precursoren (Co-P) bij het fabriceren van koper-aluminiumoxide aerogels,6,22, en (c) entrapping door de koper-bevattende nanodeeltjes in een silica aerogel matrix tijdens fabricage10. In elk geval een RSCE-methode wordt gebruikt voor de verwijdering van het oplosmiddel uit de poriën van de natte gel matrix13,14,15.

Een protocol voor de beoordeling van de geschiktheid van deze materialen als TWCs voor automotive verontreiniging mitigatie, met behulp van de Unie katalytische Testbed (UCAT)23, wordt ook gepresenteerd. Het doel van het UCAT systeem, belangrijke gedeelten daarvan schematisch in Figuur 1 weergegeven worden, is, de chemische, thermische, simuleren en stromen voorwaarden ervaren in een typische benzine motor-katalysator. De functies van de UCAT door het passeren van een mengsel van gesimuleerde uitlaat over een aerogel monster bij een gecontroleerde temperatuur en debiet tarief. Het monster aerogel is geladen in een stroom van 2,25-cm-diameter buizen verpakt bed cel (""test sectie"", waarin het monster tussen twee schermen). De cel geladen stroom wordt geplaatst in een oven om te controleren de uitlaatgas en katalysator temperatuur en monsters van behandelde uitlaat (d.w.z. uitlaat stroomde door het ingepakte bed) en onbehandelde gas (d.w.z. het omzeilen van het verpakte bed) worden onderzocht op een aantal temperaturen tot 700 ˚C. De concentraties van de drie belangrijkste verontreinigende stoffen--CO, Nee, en onverbrande koolwaterstoffen (HCs)--worden gemeten met behulp van een vijf-gas analyzer na wordt behandeld door de aerogel katalysator en, afzonderlijk, in een onbehandelde stroom (""bypass""); uit deze gegevens wordt de "percentage conversie" "voor elke verontreinigende stof berekend. Voor het testen die hierin worden beschreven, een commercieel beschikbare uitlaat blend, lage emissies California Bureau van Automotive reparatie (BAR) 97 blend werkzaam was. De volledige gegevens van de UCAT's ontwerp en werking worden gepresenteerd in Bruno et al.23

figure-introduction-1
Figuur 1. UCAT Test sectie- en bemonsteringssystemen. Herdrukt met toestemming van 2016-01-0920 (Bruno et al. 23), copyright 2016 SAE International. Verdere verspreiding van dit materiaal is niet toegestaan zonder voorafgaande toestemming van de SAE. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Veiligheidsoverwegingen: Draag veiligheidsbril of laboratorium handschoenen en bril op alle tijden wanneer uitvoeren van voorbereidende werken met chemische oplossingen en bij de behandeling van natte gels of katalytische aerogel materialen. Handvat propyleenoxide, tetramethyl orthosilicate (TMOS), ethanol, methanol, ammoniak, nanodeeltjes en oplossingen met een van deze in een zuurkast. Lees Safety Data Sheets (SDS) voor alle chemische stoffen, met inbegrip van nanodeeltjes, voorafgaand aan het werken met hen. Draag een zwevende masker wanneer aerogel monsters pletten en tijdens het laden en lossen van de meetkamer. Draag veiligheidsbril of bril wanneer de hydraulische hete pers of katalytische proefbank. Tie weer lang haar en draag geen losse kleding (sjaals, bijvoorbeeld) wanneer werken met de hete pers. Zoals opgemerkt in onze vorige protocol17, dienst een schild van de veiligheid rond de hete pers, goed vent de warme druk op en er zeker van zijn dat er geen ontstekingsbronnen in de buurt zijn. Het verstrekken van correcte ventilatie van de proefbank en alle gas uitlaten en NO en CO installeren gas monitoren in de ruimte van de exploitant die zijn gekoppeld aan de katalytische proefbank. Draag handschoenen van de oven wanneer verwijderen of vervangen van een hete meetkamer.

1. fabricage van aluminiumoxide-koper Sol Gels met behulp van zouten van koper

Opmerking: Recepten voor aluminiumoxide-koper (Al-Cu) sol gels zijn vermeld in tabel 1. Alle oplossing voorbereidingen zijn uitgevoerd in een zuurkast.

  1. Bereiden van reagentia en andere benodigdheden
    1. Verzamelen van reagentia nodig: aluminium chloride-hexahydraat, koperen nitraat Trihydraat propyleenoxide, reagens-grade ethanol en absolute ethanol.
    2. Bevoorraden nodig: schoon en droog zijn bekers (twee 250 mL); schoon, droog en magnetische roer bar; 50 - of 100 mL studeerde aan de cilinder; een 10-mL hypodermische spuit; een digitale evenwicht gekalibreerd.
    3. Verkrijgen van een kleine laboratoriumschaal ultrasoonapparaat en voorbereiden voor gebruik door toevoeging van water aan de vullijn en ervoor te zorgen dat beide bekers in ultrasoonapparaat kunnen worden gebracht zonder kantelen.
  2. Synthetiseren van aluminiumoxide-koper Sol Gels via een impregnering methode (Al-Cu IMP)
    1. Gebruik een gekalibreerde digitale evenwicht, Weeg 5.92 g van aluminium chloride-hexahydraat, en toevoegen aan het bekerglas van 250 mL. Voeg toe 40 mL reagens-grade ethanol en een roer-bar aan de dezelfde bekerglas van 250 mL. Dek het bekerglas af met paraffine film en plaats op magnetische plaat voor roeren bij matige snelheid totdat het aluminium zout is opgelost (ongeveer 15 min). Neem het bekerglas van magnetische plaat en ontdekken.
    2. Gebruik de 10 mL spuit om te doorboren het septum op de fles van propyleen oxide en 8 mL van propyleenoxide toevoegen aan het bekerglas van 250 mL. Vervang paraffine film op het bekerglas en de plaats op de magnetische plaat voor roeren bij matige snelheid totdat de oplossing heeft gegeleerde (ongeveer 5 min). Neem het bekerglas van de magnetische plaat en laat gel om leeftijd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
    3. Gebruik een gekalibreerde digitale evenwicht, weeg 1.4 g van koperen nitraat Trihydraat en toevoegen aan een bekerglas. Voeg 40 mL absolute ethanol tot het bekerglas. Plaats het bekerglas in het ultrasoonapparaat en bewerk ultrasone trillingen ten tot het koperen zout oplost (ongeveer 10 min).
    4. Giet van elk overtollige oplosmiddel uit aluminiumoxide gel, verwijderen van de roer bar en breek de gel in verschillende stukken (5-10 mm per zijde) met behulp van een spatel. Giet koperen oplossing in het bekerglas van de gel. Dek bekerglas af met paraffine film, en laat de gel aan leeftijd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
    5. Giet af overtollige oplosmiddel en voeg 40 mL verse absolute ethanol. Vervang paraffine film op het bekerglas en de gel om de leeftijd voor een andere 24 h staan bij kamertemperatuur.
    6. Herhaal stap 1.2.5 ten minste eenmaal om de verwijdering van overtollige propyleenoxide (reagens) en eventuele reactie bijproducten6.
    7. Gaat u verder met stap 3 (verwerking... tot Aerogels...) superkritische extractie van oplosmiddel uitvoeren vanaf natte gels aerogels opleveren.
  3. Synthetiseren van aluminiumoxide-koper Sol Gels via een voorloper van de co-methode (Al-Cu CoP)
    1. Met behulp van een geijkte digitale evenwicht, weeg 4.52 g aluminium chloride-hexahydraat en 1.4 g van koperen nitraat Trihydraat. Deze zouten toevoegen aan een schoon 250 mL-bekerglas. Voeg toe 40 mL reagens-grade ethanol en een roer-bar aan de bekerglas van 250 mL. Dek het bekerglas af met paraffine film en plaats op magnetische plaat voor roeren bij matige snelheid totdat de aluminium en koper zouten hebben opgelost (ongeveer 15 min). Neem het bekerglas van magnetische plaat en ontdekken.
    2. Gebruik van de 10 mL spuit te doorboren het septum op de fles van propyleen oxide en 9.5 mL propyleenoxide toevoegen aan het bekerglas van 250 mL. Vervangen van paraffine film op het bekerglas en plaats op magnetische plaat. Roer tot de oplossing heeft gegeleerde (15-20 min). Neem het bekerglas van de magnetische plaat en laat de gel aan leeftijd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
    3. Giet alle overtollige oplosmiddel uit gel, en breken de gel in verschillende stukken (5-10 mm per zijde) met behulp van een spatel. Voeg 40 mL verse absolute ethanol aan beaker, cover bekerglas van 250 mL met paraffine film, en laat de gel aan leeftijd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
    4. Giet af overtollige oplosmiddel en voeg 40 mL verse absolute ethanol. Vervangen van paraffine film over bekerglas en laat de gel om de leeftijd voor een andere 24 h bij kamertemperatuur.
    5. Herhaal stap 1.3.4. ten minste eenmaal in om het overtollige Propyleenoxide verwijderen en reactie-bijproducten.
    6. Gaat u verder met stap 3 (Processing... in Aerogels...) uitvoeren van superkritische extractie van oplosmiddel van natte gels aerogels opleveren.

2. fabricage van Silica-koper Sol Gels met behulp van zouten van koper

Opmerking: Het recept voor silica-koper (Si-Cu) sol gels is weergegeven in tabel 2. Alle oplossing voorbereidingen zijn uitgevoerd in een zuurkast.

  1. Bereiden van reagentia en andere benodigdheden
    1. Verzamelen van reagentia nodig: tetramethyl orthosilicate (TMOS), methanol, gedeïoniseerd water, ammoniak, koperen nitraat Trihydraat en absolute ethanol.
    2. 100 mL van een 1,5-M ammoniakoplossing maken door verder verdunnen van 10,1 mL geconcentreerde ammonia van 14,8-M met gedeïoniseerd water tot 100 mL.
    3. Bevoorraden nodig: schoon en droog zijn bekers (met inbegrip van een 250 mL en een bekerglas van 100 mL); gekalibreerd veranderlijk volume pipetten (één 1000-µL en één digitale 10,0 mL-pipet met passende tips worden aanbevolen); een 50 mL of 100 mL afgestudeerd cilinder; een digitale evenwicht gekalibreerd.
    4. Verkrijgen van kleine laboratoriumschaal ultrasoonapparaat en voorbereiden voor gebruik door toevoeging van water aan de vullijn en ervoor te zorgen dat beide bekers in ultrasoonapparaat kunnen worden gebracht zonder kantelen.
  2. Synthetiseren van Silica-koper Sol-Gel via een impregnering methode (Si-Cu IMP)
    1. Pipetteer 8,5 mL TMOS af in het bekerglas van 250 mL. 27.5 mL methanol toevoegen aan het bekerglas van 250 mL met behulp van een gegradueerde cilinder. Pipetteer 3.6 mL water in het bekerglas van 250 mL. Bekerglas van 250 mL met paraffine film dekken en bewerk ultrasone trillingen ten het mengsel totdat het is een monofasische oplossing (5-10 min), dan ontdekken.
    2. Pipetteer 1.35 mL 1.5-M NH3 in het bekerglas van 250 mL. Vervang paraffine film op het bekerglas en bewerk ultrasone trillingen ten totdat gelering optreedt (ongeveer 2 min). Laat de gel aan leeftijd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
    3. Gebruik een gekalibreerde digitale evenwicht, weeg 0.55 g van koperen nitraat Trihydraat en toevoegen aan een bekerglas van 100 mL. Voeg 20 mL absolute ethanol tot bekerglas van 100 mL. Plaats het bekerglas van 100 mL in het ultrasoonapparaat en bewerk ultrasone trillingen ten totdat koper zout volledig opgelost is (ongeveer 10 min).
    4. Breek de silicagel in verschillende stukken (5-10 mm per zijde) met behulp van een spatel en voeg Koperoplossing aan de 250 mL-bekerglas de gel. Vervangen van paraffine film over bekerglas en laat de gel aan leeftijd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
    5. Giet af overtollige oplosmiddel en Voeg 20 mL verse absolute ethanol. Vervangen van paraffine film over bekerglas en laat gel om de leeftijd voor een andere 24 h.
    6. Herhaal stap 2.2.5. ten minste eenmaal.
    7. Gaat u verder met stap 3 (Processing... in Aerogels...) uitvoeren van superkritische extractie van oplosmiddel van natte gels aerogels opleveren.

3. de verwerking van aluminiumoxide-koper en Silica-koper Sol Gels gemaakt met behulp van koper zouten in Aerogels via snelle superkritische extractie

  1. Hot Press en schimmel voorbereiden
    1. Het verkrijgen van een gepaste afmetingen roestvrij staal schimmel. Bijvoorbeeld, een 12,7 x 12,7 cm x 1,8 cm schimmel met vier cirkelvormige putten 3.8 cm in diameter en 1,5 cm diepte meten.
    2. Pakking materiaal voor te bereiden. Knippen dichting afdichtingen voldoende in grootte de mal om volledig te dekken (in dit voorbeeld > 12,7 cm x > 12,7 cm) van 1.6 mm dik-grafiet pakking materiaal en 0,012-mm dik roestvrij staal folie.
    3. De hete pers voor ethanol extractie Program, Zie tabel 3 voor parameters.
  2. Superkritische extractie uit te voeren in hete pers
    1. Na bereiding en ethanol uitwisseling van natte gels (stap 1.2.6, 1.3.5 of 2.2.6), decanteren overtollige oplosmiddel.
    2. De natte sol gels in de putten van de mal, en gecentreerd spreiden de schimmel op de hete pers verwarming plaat. Top uit elk putje met absolute ethanol.
    3. Pakking materiaal, gebruikt voor het afdichten van de schimmel, op de top van de schimmel plaats: RVS folie eerst, vervolgens de graphite blad.
    4. Beginnen de warme druk extractie program.
    5. Zodra het proces is voltooid (ongeveer 5 h), schimmel verwijderen van hot press. Pakking materiaal verwijderen van de mal, en breng aerogels in monster containers.

4. fabricage van koper-Nanoparticle-Doped Silica Aerogel monolieten (Si-Cu NP)

  1. Bereiden van reagentia en toebehoren
    1. Verzamelen van reagentia: TMOS, methanol, gedeïoniseerd water, 25 - tot 55-nm grootte koper (II) oxide nanodeeltjes gedispergeerd in water bij 20 wt % en 1,5-M waterige ammoniakoplossing (zoals beschreven in stap 2.1.2.). Verschillende types (oxidatie Staten, maten) en concentratie van nanodeeltjes kunnen worden gebruikt met aanpassingen aan het recept.
    2. Bereiden van leveringen: schoon en droog zijn bekers (met inbegrip van een 250 mL en een 100 mL); gekalibreerd veranderlijk volume pipetten (één 10 mL en een 1.000-µL digitale Pipetteer met passende tips aanbevolen); Wegwerp pipet van Pasteur; een digitale evenwicht gekalibreerd.
    3. Verkrijgen van kleine laboratoriumschaal ultrasoonapparaat en voorbereiden voor gebruik door toevoeging van water aan de vullijn en ervoor te zorgen dat beide bekers in ultrasoonapparaat kunnen worden gebracht zonder kantelen.
  2. Hot Press en schimmel voorbereiden
    1. Gepaste afmetingen stalen mal voor te bereiden. In dit voorbeeld, een 12,7 cm x 12.7 cm x 1.905-cm schimmel, met negen circulaire door putjes van 1.905-cm doorsnede. Spray putjes met hoge temperatuur smeermiddel om de opheffing vergemakkelijkt van aerogels na verwerking.
    2. Pakking materiaal voor te bereiden. Verzamelen van 1.6 mm dik-grafiet pakking materiaal en 0,012-mm dik roestvrij-staal floret en knip drie stukken van elk voldoende in grootte de mal om volledig te dekken (in dit voorbeeld > 12,7 cm x > 12,7 cm).
    3. Programma warm pers voor afdichting en extractie. Raadpleeg tabel 4 en tabel 5, respectievelijk voor programma waarden.
      Opmerking: Afdichting is noodzakelijk om te voorkomen dat vloeistof sijpelt uit de mal van open bodem wells.
    4. Pakking materiaal en de mal in het midden van de hete pers platanen in de volgende volgorde plaats: grafiet, folie, schimmel, folie, grafiet. De afdichting starten (met behulp van parameters in tabel 4).
  3. Voorloper oplossing maken voor Si-Cu NP Aerogels
    Opmerking: Het recept voor de silica aerogel met 5 wt % koper (II) oxide nanodeeltjes is vermeld in tabel 6. Dit recept kan worden aangepast voor verschillende gewicht percentage hoeveelheden koper nemen. Alle oplossingen moeten worden behandeld en gemengd in een zuurkast.
    1. Plaats een schoon 250 mL-bekerglas op de geijkte digitale evenwicht en Pipetteer ongeveer 13 mL TMOS af in het bekerglas van 250 mL. Voeg extra TMOS zo nodig met de Pipet van Pasteur voor een totaal van 13.04 g TMOS.
    2. Pipetteer een totaal 32.63 g methanol in het bekerglas van 250 mL. Pipetteer 3,90 g gede¨ uoniseerd water in het bekerglas van 250 mL.
    3. Schud de 20 wt % koper (II) oxide nanodispersion om ervoor te zorgen nanodeeltjes die hebben geregeld naar de onderkant opnieuw geschorst, pipetteer dan 1,50 g van de nanodispersion in het bekerglas van 250mL van voorloper oplossing. Pipetteer 200 µL van 1.5-M ammoniak in het bekerglas van 250 mL.
    4. Dek het bekerglas af met paraffine film en bewerk ultrasone trillingen ten het mengsel gedurende 5-10 minuten totdat het is een monofasische oplossing.
  4. Het uitvoeren van gelering en superkritische extractie in hete pers
    1. Nadat de verzegeling programma voltooid is, verwijdert u de bovenste pakking, verzorgen als u niet wilt verplaatsen van de schimmel. Op dit punt, is de bodem van de mal afgesloten.
    2. Vul elk goed volledig met de voorloper oplossing.
      Opmerking: Er zullen oplossing overblijft. Dit kan worden genegeerd of laat drogen onder de omgevingsomstandigheden te maken xerogels.
    3. Plaats een nieuw stuk van folie dan een nieuw stuk van grafiet op de top van de schimmel.
    4. Extractie-programma start (met behulp van parameters in tabel 5).
    5. Wanneer de extractie-programma is voltooid (ongeveer 8 h), verwijderen van de schimmel en pakking materiaal uit de hete pers. Zachtjes schil de pakking materiaal vanaf de bovenkant van de schimmel en gooi het. Duw voorzichtig elke aerogel in een monsterrecipiënt met een gehandschoende vinger.

5. de werking van de Unie katalytische proefbank

  1. Bereiden en laden van monster
    1. Licht crush ongeveer 30 mL Aerogel in ongeveer 1 tot 2 mm diameter stukken met behulp van een mortier en een stamper. Niet verpletteren aerogel tot een poeder.
    2. Meten van ongeveer 30 mL katalytische aerogel stukken met behulp van een schone, droge afgestudeerd cilinder.
      Opmerking: De aerogels zal krimpen met thermische behandeling, zodat het noodzakelijk is om ervoor te zorgen dat er 15-20 mL beschikbaar om te testen na thermische behandeling Aerogel is.
    3. Plaats de aerogel in keramische filterkroezen, losjes dekking van de filterkroezen met bodem en calcine in een oven op 800 ˚C gedurende 24 uur.
    4. Filterkroezen met bodem Verwijder uit oven en laat afkoelen.
    5. Meten van 20 mL Aerogel en giet in een schone, droge UCAT test sectie en invoegen van een einde-scherm als u wilt behouden van het monster in plaats tijdens het testen.
    6. Load test sectie in de vergadering van de UCAT met behulp van koperen ringen en klemmen te verzegelen. Veilig sluiten de UCAT oven.
      Opmerking: Om te voorkomen beschadiging van de oven of elektrische kortsluiting, zien erop toe dat test afdeling geen contact op met het interieur wand van oven.
  2. Voorbereiding van de Unie katalytische proefbank
    1. Controleer of CO en geen detectoren zijn op en de werking.
    2. Selectievakje gesimuleerd uitlaat gasvoorziening. Vervang gesimuleerde uitlaat fles vóór het begin van de test als de druk lager is dan 700 kPa.
    3. Stel de drukregelaar gas op 345 kPa. Lucht drukregelaar ingesteld op 345 kPa. Lekken test uitlaat gas flow lijnen.
    4. Inschakelen en de nul van de gekalibreerde vijf-rookgas analysers. Set analyzers te meten. Laat analysers op gedurende 30 minuten om op te warmen.
    5. Stel de gewenste oventemperatuur (meestal 200 ˚C voor de eerste lezing) en start van de oven. Ervoor zorgen dat de bypass klep is ingesteld op het leveren van lucht door de meetkamer.
    6. Aanpassen van de massastroom tarief domeincontrollers om te leveren van de juiste hoeveelheid lucht (gebruikt tijdens warmup) en gesimuleerde uitlaat (gebruikt tijdens het testen) om de gewenste ruimte snelheid.
      Opmerking: Dit gebeurt in ons systeem gewoon door het instellen van de snelheid van de gewenste ruimte in het controleprogramma van het systeem. De massastroom controllers zijn automatische en de massale debieten aan de vereiste waarden, gebaseerd op de oventemperatuur, om de geselecteerde ruimte snelheid aanpassen.
    7. Schakel op de warming-up / purge luchtstroom door de meetkamer en wacht tot de stroom door de meetkamer te stabiliseren op de gewenste temperatuur (meestal 30 min).
  3. Neem een meting.
    1. Opnieuw de nul van de vijf-gas analyzer en stel de bypass klep voor het verzenden van stroom te omzeilen van de test-sectie. Uitschakelen van de warming / zuiveren van de lucht.
    2. De gesimuleerde uitlaatgasstroom inschakelen. Toestaan van vijf-gas analyzer lezingen te stabiliseren (ca. 90 s) en bypass (gesimuleerde uitlaat fles) verontreinigende stof concentraties opnemen.
    3. Stel de bypass klep naar de stroom direct door de test-sectie. Toestaan van vijf gas analyzer lezingen te stabiliseren (ca. 360 s) en record behandeld neen-zuurstof uitlaat verontreinigende stof concentraties.
    4. Inschakelen van zuurstof toevoeging aan de mix. Toestaan van vijf-gas analyzer lezingen te stabiliseren (ca. 90 s) en record behandelde met-zuurstof uitlaat van de concentraties van verontreinigende stoffen.
    5. Stel de bypass klep voor het verzenden van stroom te omzeilen van de test-sectie. Toestaan van vijf-gas analyzer lezingen te stabiliseren (ca. 90 s) en bypass (gesimuleerde uitlaat fles) verontreinigende stof concentraties opnieuw opnemen.
    6. De gesimuleerde uitlaatgasstroom uitschakelen.
    7. Increment oventemperatuur tot volgende gewenste toestand (meestal 50 ˚C hoger), herhaalt u stap 5.2.6 aan 5.3.6. Totdat metingen zijn afgerond op de gewenste maximale temperatuur (meestal 600 ˚C).
  4. Sluiten van de Unie katalytische proefbank
    Opmerking: Na het voltooien van de uiterste rondweg (typ op 600 ˚C) de test is voltooid. Afsluiten van de proefbank.
    1. Uitschakelen gesimuleerde uitlaatkleppen fles en regelgevers. Uitschakelen van oven, vijf-gas analyzer en lucht.
Chemische stofBedrag (impregnering methode)Bedrag (de voorloper van de co-methode)
AlCl3•7H2O5.92 g4.52 g
Cu (3)2•3H2O1.4 g1.4 g
Propyleenoxide8 mL9.5 mL
Reagens-grade ethanol40 mL40 mL
Absolute ethanol120 mL120 mL

Tabel 1. Recept voor de bereiding van aluminiumoxide-koper Sol Gels.

Chemische stofBedrag (impregnering methode)
TMOS8,5 mL
MeOH27.5 mL
H2O3.6 mL
1.5-M NH3 1.35 mL
Absolute Ethanol60 mL
Cu (3)2•3H2O0,55 g

Tabel 2. Recept voor de bereiding van Silica-koper Sol Gels.

Stap #Temperatuur (° C)Temp tarief (° C/min)Kracht (kN)Geldende tarief (kN/min)Nadruktijd (min)
13030020030000,25
22502.2200--30
3250--4.54.515
4302.24.5--1
5EINDE

Tabel 3. Hot-Press extractie programmaparameters voor aluminiumoxide-koper en Silica-koper Sol Gels.

Stap #Temperatuur (° C)Temp tarief (° C/min)Kracht (kN)Geldende tarief (kN/min)Nadruktijd (min)
1UITSCHAKELEN--90300010
2EINDE

Tabel 4. Hot-Press programmaparameters afdichten.

Stap #Temperatuur (° C)Temp tarief (° C/min)Kracht (kN)Geldende tarief (kN/min)Nadruktijd (min)
13030018030000,25
22901.6180--30
3290--4.54.515
4401.64.5--1
5EINDE

Tabel 5. Hot-Press extractie programma-Parameters voor koper-nanoparticle-doped Silica aerogels.

Chemische stofBedrag (mL)Bedrag (g)
TMOS12,7513.04
Methanol41.2532.63
Water3.93.9
Nanodispersion1.51.5
Ammoniak0.20,15

Tabel 6. Recept voor de fabricage van 5 wt % koper-nanoparticle-doped Silica Aerogels.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Fotografische afbeeldingen van de resulterende aerogels worden weergegeven in Figuur 2. Omdat de natte gels werden gebroken in stukken vóór oplosmiddel uitwisseling, zijn de Al-Cu IMP en Si-Cu IMP aerogels in kleine, onregelmatig gevormde monolithische stukken. Het is duidelijk uit de kleur van deze monsters die de aerogels koperen soorten en dat variaties in koperen speciatie en/of ligand structuur binnen de materialen optreden bevatten. Al-Cu IMP aerogels (...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het nut van de RSCE-methode voor de fabricage van katalytische aerogels en het UCAT-systeem voor het aantonen van katalytische vermogen is hierin aangetoond. Grote voordelen van deze protocollen ten opzichte van andere methoden zijn de snelheid van RSCE aerogel fabricage en de relatief goedkope aanpak katalytische getest door UCAT.

Gels moet worden geëxtraheerd kunnen bereid worden via een verscheidenheid van methoden, waaronder impregneren van metaalzouten in een aluminiumoxide of silica natt...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Ontwikkeling van de synthesemethoden voor katalytische aerogels werd gefinancierd door middel van subsidie van de National Science Foundation (NSF) Nee. DMR-1206631. Het ontwerp en de bouw van UCAT werd gefinancierd door middel van NSF subsidie Nee. CBET-1228851. Aanvullende financiering werd verstrekt door de Union College faculteit onderzoeksfonds. De auteurs wil ook erkennen van de bijdragen van Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti en Vinicius Silva.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Variabele micropipettor, 100-1000 µLGemaakt door Eppendorf, gekocht bij Fisher Scientific www.fishersci.comS304665Elke 100-1000 µL pipettor is geschikt.
Variabele Pipettor, 2,5-10 mLGemaakt door Eppendorf, gekocht bij Fisher Scientific www.fishersci.com21-379-25Elke variabele pipettor is geschikt.
Pasteur pipettenFisherScientific13-678-6A
SpuitGekocht bij Fisher ScientificZ181390 spuit met Z261297 naald
Digitaal weegschaalOHaus Explorer ProElke digitale weegschaal is geschikt.
BekersGekocht bij Fisher ScientificElke glazen beker is geschikt.
Gemaakte cilinderGekocht bij Fisher ScientificElke glazen gemaakte cilinder is geschikt.
Magneetplaat/roerderFisherScientific IsotempSP88854200PElke magneetplaat/roerder is geschikt.
Ultrasoon reinigerFisherScientific FS6153356Elke sonicator is geschikt.
MalGemaakt in huisMaak van koudgewalst staal of roestvrij staal.
Hydraulische heetpersTetrahedron www.tetrahedronassociates.comMTP-14Elke heetpers met temperatuur en krachtcontrole werkt. Heeft maximale temperatuur van ~550 F en maximale kracht van 24 ton nodig.
UCAT (Union Catalytic Testbed)Gemaakt in huisGeschreven in detail in referentie #21:  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).
Bar 97 GasPraxairMS_BAR97ZA-D7

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Metaalimpregnatieco precursor methodetoevoeging van nanodeeltjeshydraulische hete persUnion katalytische testopstellingdriewegkatalysevermindering van luchtvervuiling door motorvoertuigenaerogeltesten
Fabricage en beproeving van katalytische Aerogels bereid Via snelle superkritische extractie
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.