Synthese en katalytische prestaties van Gold tussengevoegd in de muren van mesoporeus siliciumdioxide-

Het algemene doel van deze procedure is het synthetiseren van nieuwe katalytische materialen met nanogoud geïntegreerd in de wanden van mesoporeuze silica. Dit wordt bereikt door eerst micellen te vormen met de toevoeging van een surfactant, die dient als template voor de vorming van mesoporeuze silica. Vervolgens worden een siliciumbron en een oppervlaktemodificatiemiddel aan de oplossing toegevoegd, waarna een goudprecursor druppelsgewijs wordt toegevoegd om nanogouddeeltjes te verkrijgen.

Na 24 uur roeren wordt de oplossing overgebracht naar een oven voor hydrothermale verwerking. Tijdens de hydrothermale behandeling polymeriseert silica om de mesoporeuze structuur te vormen, en begint de goudvoorloper op nanoschaal te groeien. De laatste stap is het calcineren van het materiaal om alle resterende surfactant te verwijderen en een goed gedefinieerde mesoporeuze structuur te verkrijgen.

Uiteindelijk worden UV-visabsorptie, röntgendiffractie en transmissie-elektronenmicroscopie gebruikt om aan te tonen dat gouden nanodeeltjes zijn geïntegreerd in de goed gedefinieerde wanden van de mesoporeuze silica. Het belangrijkste voordeel van deze methode ten opzichte van andere, zoals directe precipitatie, is dat de hier gesynthetiseerde materialen zeer thermisch robuust zijn. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, omdat een succesvolle synthese procescontrole over de temperatuur en de condities van de oplossing vereist.

Nanotechnologie wordt gedefinieerd als een groottebereik, het nanoschaalbereik, waarin de eigenschappen van een materiaal veranderen als functie van de veranderende grootte van de deeltjes. In dit geval hebben we het over goudnanodeeltjes, en goud heeft bovendien het nadeel een zacht metaal te zijn dat gemakkelijk smelt. Het hier getoonde bewijs van concept dat we kunnen aantonen voor het toevoegen van thermische stabiliteit aan goud, zou daarom toepasbaar moeten zijn op alle metaalsystemen.

Om te beginnen met de bereiding van goud geïntercaleerd in de wand van mesoporeuze silica of GMS, voegt u 2,0 gram P 1 23 toe aan 75 milliliter van een twee molaire zoutzuuroplossing. Pas bij kamertemperatuur magnetisch roeren toe op de oplossing. Roer op een snelheid van 350 omwentelingen per minuut totdat P 1 23 volledig is opgelost, waarna de oplossing helder zal zijn.

Voeg vier gram TEOS toe aan een klein vial, gevolgd door 180 µL T-E-S-P-T-S. Schud het vial langzaam om de twee chemicaliën te mengen; los in een ander vial 38 mg chloorgoudzuur op in 1 mL gedeïoniseerd water. Verhoog de temperatuur van de P 1 23-oplossing naar 35 °C in een oliebad waarbij de temperatuur wordt geregeld door een thermokoppel.

Voeg vervolgensal het mengsel van TEOS en T-E-S-P-T-S toe aan de P 1 23-oplossing en houd de oplossing onder krachtig magnetisch roeren van 700 rotaties per minuut. Nadat de oplossing twee minuten heeft geroerd, wordt de volledige voorbereide chloor-ORIC-zuuroplossing gedurende 30 seconden druppelsgewijs toegevoegd. Roer de oplossing 24 uur lang bij 35 °C met een snelheid van 700 rotaties per minuut.

Breng de oplossing na 24 uur over in een afgesloten fles en bewaar deze gedurende 72 uur in een oven ingesteld op 100 °C. Dit proces wordt hydrothermale behandeling genoemd. Filtreer de oplossing na de hydrothermale behandeling met een filterpapier nummer 1 onder vacuüm met behulp van een trechter.

Was het monster vervolgens twee keer met water en drie keer met ethanol om het resterende zoutzuur te verwijderen. Voeg bij elke wasstap water of ethanol één centimeter boven de vaste stof toe en wacht tot het materiaal is opgedroogd. Breng het filtraat van de precipitatie over naar een keramische smeltkroes om deze in een oven te calcineren.

Stel het opwarmprogramma in om de temperatuur gedurende twee uur te verhogen van 25 naar 550 °C, en houd 550 °C gedurende vier uur vast. Laat het monster vervolgens in de oven blijven met de deur gesloten totdat de temperatuur onder de 40 °C is gezakt. Breng na calcinatie het product met een plastic spatel over naar een glazen vial; het gesynthetiseerde materiaal heeft een rode kleur door de oxidatie van benzoalcohol.

Als benchmarkreactie worden de GMS-materialen getest, waarbij ze een hoge selectiviteit en recyclebaarheid vertonen. Aangezien de oxidatie van benzoalcohol een vloeistoffase-reactie is zonder apart oplosmiddel, worden 5 ml benzoalcohol overgebracht naar een driehalskolf van 25 ml. Voeg vervolgens 10 mg van de GMS-katalysator toe aan de benzoalcohol.

Stel een temperatuurgecontroleerd oliebad in met magnetisch roeren op 100 °C, om een nauwkeurige en uniforme controle van de reactietemperatuur te waarborgen. Plaats de kolf met benzoylalcohol en katalysator in het oliebad en roer op 150 toeren per minuut.

Laat zuurstofgas met een zuiverheid van 99,9% via een massaflowcontroller met een snelheid van twee milliliter per minuut in de kolf stromen. Zodra de temperatuur van het oliebad 100 °C bereikt en stabiliseert, wordt het zuurstofgas in de driehalskolf geleid. Houd de zuurstofflow en de temperatuur constant en laat de reactie zes uur lang doorgaan.

Filter na de reactie het product met een nummer één filterpapier. Verzamel de vloeibare fase en breng deze over naar een gaschromatografie-vial; voeg in de vial vier delen HPLC-zuiver azijnzuur toe voor elk deel monster. Plaats de vial vervolgens op een autosampler van een gaschromatograaf voor analyse.

Spoel het vaste neerslag op het filterpapier af met gedeïoniseerd water en vervolgens met ethanol, alvorens het neerslag met een spatel aan de lucht te laten drogen. Verzamel de gedroogde vaste stof, wat de gerecycleerde katalysator is. Herhaal deze procedure met de gerecycleerde katalysator drie keer per herhaling, waarbij de hoeveelheid benzoalcohol wordt aangepast zodat de verhouding ten opzichte van de hoeveelheid gerecycleerde katalysator gelijk blijft.

Weeg drie afzonderlijke porties van 300 milligram van de gesynthetiseerde GMS-voorraad. Plaats de porties gesynthetiseerde GMS in glazen vials die gemarkeerd zijn als batch één, batch twee en batch drie. Batch één dient als controlegroep, terwijl batch twee en batch drie worden onderworpen aan thermische processing.

Programmeer de oven om de temperatuur in 0,5 uur te laten stijgen van 25 °C naar 400 °C, en houd vervolgens 400 °C aan gedurende vier uur. Plaats batch twee in een smeltkroes en start het programma; laat het monster in de oven blijven met de deur gesloten totdat de temperatuur onder de 40 °C is gezakt. Programmeer de oven voor batch drie om de temperatuur in 0,75 uur te laten stijgen van 25 °C naar 650 °C en houd deze 650 °C aan gedurende vier uur.

Plaats batch drie in een smeltkroes en start het programma zoals voorheen. Laat het monster in de oven blijven met de deur gesloten totdat de temperatuur op het fiz-absorptie-instrument onder de 40 °C daalt. Voer de DGA uit op de GMS-materialen bij 90 °C gedurende 60 minuten, en vervolgens bij 350 °C gedurende 480 minuten.

Voer een volledige isothermanalyse uit op de DGA-materialen om gegevens over de fysieke absorptie te verkrijgen. Dispergeer het GMS-monster op een 200 mesh volledig koolstof transmissie-elektronenmicroscoop- of TEM-grid en observeer het monster onder een transmissie-elektronenmicroscoop. Voer daarnaast röntgendiffractie uit met koper K-alfa straling zoals beschreven in het tekstprotocol.

Een TEM-afbeelding van de GMS onthult dat de silicamatrix goed gedefinieerde lange kanalen met een stabiele wand vormde. De porediameter werd bepaald op ongeveer vijf nanometer en was zeshoekig van vorm, zoals typisch is voor mesoporeuze silica. Een vergelijking tussen de BET-stikstofabsorptie-isotherm voor de silicamatrix zonder goudinteractie en de isotherm voor GMS met goud in de wanden onthult dat er geen significant verschil is tussen de twee materialen.

Beide vertonen de typische vorm voor mesoporeuze materialen met een hysteresislus, wat aangeeft dat de gouden interactie geen wijzigingen heeft veroorzaakt in de poriestructuur. De BET-poriestructuur en BJH-porieverdeling voor GMS-materiaal gecalcineerd bij verschillende temperaturen worden ebenfalls getoond. Calcinatie bij hoge temperaturen veranderde de mesoporeuze siliciummatrix niet.

Bovendien bleven zowel de poriestructuur als de porieverdeling ongewijzigd na een warmtebehandeling tot 650 °C, wat erop wijst dat het goud niet aggregeerde en de poriën niet blokkeerde. De thermische stabiliteit van het goud in GMS wordt verder geverifieerd door röntgendiffractie aan de hand van het diffractiepatroon van GMS-materiaal, gecalcineerd bij verschillende temperaturen. De pieklocatie, piekintensiteit en piekbreedte vertonen geen enkele verandering als gevolg van het calcinatieproces, wat aangeeft dat de goudpartikels niet in grootte of morfologie zijn veranderd.

Wanneer deze techniek correct wordt uitgevoerd, kan deze in 120 uur worden voltooid. Bij het uitvoeren van deze synthese is het belangrijk om de reactieomstandigheden nauwkeurig te controleren, aangezien het template-agens gevoelig is voor kleine veranderingen in pH, temperatuur en concentratie. De realisatie van deze technologie heeft onderzoekers een paradigma geboden waarmee thermische stabiliteit aan katalysatorsystemen kan worden gegeven. Dit wordt momenteel geïmplementeerd in systemen voor biomassaveredeling en antico-technologieën voor een breed portfolio aan hernieuwbare energietechnologieën.