Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Łatwe przygotowanie ultradrobnych cząstek wodorotlenku glinu z mezoporowatym MCM-41 lub bez niego w środowisku otoczenia

10.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55423

⸱

11 maja 2017

 ,  ,  ,  , 
1Colgate-Palmolive Company

W tym artykule

Podsumowanie

Ultradrobna zawiesina nanocząsteczek wodorotlenku glinu została przygotowana poprzez kontrolowane miareczkowanie [Al(H2O)]3+ z L-argininą do pH 4,6 z i bez uwięzienia w mezoporowatych kanałach MCM-41.

Streszczenie

Wodna zawiesina nanogibbzytu została zsyntetyzowana przez miareczkowanie kwasu aluminiowo-wodnego [Al(H2O)6]3+ z L-argininą do pH 4,6. Ponieważ wiadomo, że hydroliza wodnych soli glinu wytwarza szeroką gamę produktów o szerokim zakresie rozkładów wielkości, do scharakteryzowania produktów syntezy i identyfikacji produktów ubocznych wykorzystano szereg najnowocześniejszych instrumentów (tj. 27Al/1H NMR, FTIR, ICP-OES, TEM-EDX, XPS, XRD i BET). Produkt, który składał się z nanocząstek (10-30 nm), wyizolowano techniką kolumnową chromatografii żelowej (GPC). Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) i dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w proszku (PXRD) zidentyfikowały oczyszczony materiał jako polimorf gibsytu wodorotlenku glinu. Dodanie soli nieorganicznych (np. NaCl) wywołało elektrostatyczną destabilizację zawiesiny, powodując w ten sposób aglomerację nanocząstek, aby uzyskać osad Al(OH)3 o dużych rozmiarach cząstek. Wykorzystując opisaną tutaj nowatorską metodę syntezy, Al(OH)3 został częściowo załadowany do wysoce uporządkowanego mezoporowatego szkieletu MCM-41, o średnich wymiarach porów 2,7 nm, wytwarzając materiał glinokrzemianowy o zarówno oktaedrycznym, jak i czworościennym Al (Oh / Td = 1,4). Całkowita zawartość Al, mierzona za pomocą spektrometrii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX), wynosiła 11% w/w przy stosunku molowym Si/Al wynoszącym 2,9. Porównanie masowego EDX z powierzchniową spektroskopią fotoelektronów rentgenowskich (XPS) dostarczyło informacji na temat rozkładu Al w materiale glinokrzemianowym. Ponadto na powierzchni zewnętrznej zaobserwowano wyższy stosunek Si/Al (3,6) w porównaniu z masą (2,9). Przybliżone proporcje O/Al sugerują wyższe stężenie grup Al(O)3 i Al(O)4 odpowiednio w pobliżu jądra i powierzchni zewnętrznej. Nowo opracowana synteza Al-MCM-41 pozwala uzyskać stosunkowo wysoką zawartość Al przy zachowaniu integralności uporządkowanego szkieletu krzemionkowego i może być stosowana do zastosowań, w których korzystne są uwodnione lub bezwodne nanocząstki Al2O3 .

Wprowadzenie

Materiały wykonane z wodorotlenku glinu są obiecującymi kandydatami do różnych zastosowań przemysłowych, w tym katalizy, farmaceutyków, uzdatniania wody i kosmetyków. 1,2,3,4 W podwyższonych temperaturach wodorotlenek glinu pochłania znaczną ilość ciepła podczas rozkładu, dając tlenek glinu (Al2O3), co czyni go użytecznym środkiem zmniejszającym palność. 5 Cztery znane polimorfy wodorotlenku glinu (tj. gibsyt, bayeryt, nordstrandyt i doyleit) zostały zbadane przy użyciu technik obliczeniowych i eksperymentalnych, aby poprawić nasze zrozumienie ich powstawania i struktur6. Przygotowanie cząstek w nanoskali jest szczególnie interesujące ze względu na ich potencjał do wykazywania efektów kwantowych i właściwości różniących się od ich masowych odpowiedników. Cząstki nanogibbsytu o wymiarach rzędu 100 nm można łatwo przygotować w różnych warunkach7,8,9,10,11,12,13,14.

Pokonywanie nieodłącznych wyzwań związanych z dalszym zmniejszaniem rozmiarów cząstek jest trudne; dlatego istnieje tylko kilka przypadków, w których cząstki nanogibbsytów mają wymiary rzędu 50 nm. 14,15,16,17 Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, nie było doniesień o cząstkach nanogibbsytu mniejszych niż 50 nm. Częściowo wynika to z faktu, że nanocząstki mają tendencję do aglomeracji z powodu niestabilności elektrostatycznej i wysokiego prawdopodobieństwa tworzenia się wiązań wodorowych między cząstkami koloidalnymi, zwłaszcza w polarnych rozpuszczalnikach protonowych. Naszym celem była synteza małych nanocząstek Al(OH)3 przy użyciu wyłącznie bezpiecznych składników i prekursorów. W obecnej pracy agregacja cząstek wodnych została zahamowana poprzez włączenie aminokwasu (tj. L-argininy) jako bufora i stabilizatora. Ponadto doniesiono, że arginina zawierająca guanidynę zapobiegała wzrostowi i agregacji cząstek wodorotlenku glinu w celu uzyskania wodnej zawiesiny koloidalnej o średnich rozmiarach cząstek 10-30 nm. Sugeruje się tutaj, że właściwości amfoteryczne i obojnojonowe argininy łagodziły ładunek powierzchniowy nanocząstek wodorotlenku glinu podczas łagodnej hydrolizy, aby nie sprzyjać wzrostowi cząstek powyżej 30 nm. Chociaż arginina nie była w stanie zmniejszyć wielkości cząstek poniżej 10 nm, takie cząstki osiągnięto dzięki wykorzystaniu efektu uwięzienia "klatki" w mezoporach MCM-41. Charakterystyka materiału kompozytowego Al-MCM-41 ujawniła ultradrobne nanocząstki wodorotlenku glinu w mezoporowatej krzemionce, która ma średnią wielkość porów 2,7 nm.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza nanocząstek Al(OH)3

  1. Rozpuścić 1,40 g sześciowodnego chlorku glinu w 5,822 g wody dejonizowanej.
  2. Dodać 2,778 g L-argininy do wodnego roztworu chlorku glinu, mieszając magnetycznie. Dodawaj L-argininę powoli, tak aby dodana arginina rozpuściła się i nie tworzyła dużych grudek lub kawałków; Co więcej, powolne dodawanie zmniejsza lokalne stężenia zasadowości i zapewnia warunki do bardziej kontrolowanej hydrolizy.
  3. Gdy cała arginina rozpuści się w roztworze, ogrzewać roztwór przez 72 godziny w temperaturze 50 °C; w tym momencie roztwór może mieć postać mętnej zawiesiny.

2. Wytrącanie Al(OH)3 za pomocą NaCl

  1. Przygotuj kolumnę GPC o długości 49 cali i średnicy 1,125. Upakuj żel w kolejnych krokach dodawania żelu i pozwalania wodzie przepływać przez kolumnę, aby zapewnić prawidłowe wypełnienie, z minimalną przestrzenią między kulkami żelu. Upakuj żel do około 80% kolumny; Ilość upakowanego żelu zmienia się za każdym razem i wpływa tylko na czas retencji oddzielonych gatunków.
  2. Wprowadzić 10 ml zsyntetyzowanej zawiesiny nanocząstek Al(OH)3 (przygotowanej w kroku 1.3) do kolumny za pomocą pompy HPLC z pętlą wtryskiwacza o pojemności 10 ml. Wykonaj na zamówienie pętlę wtryskiwacza za pomocą rurki o średnicy zewnętrznej około 0,125 cala i długości, która jest skalibrowana do dostarczania 10 ml wstrzykniętej próbki.
  3. Zebrać elucję kolumnową w odstępach czasu skorelowanych z lokalizacją piku dRI. Podłącz wyjście GPC do wejścia detektora różnicowego indeksu refrakcji (dRI).
    UWAGA: Gdy oddzielone gatunki wydostają się z GPC, pojawiają się w detektorze dRI jako pik, a następnie są zbierane w butelkach o pojemności 125 ml. Kolumna GPC wytwarza dwa dobrze rozdzielone piki, które są zarówno zbierane, jak i analizowane za pomocą chromatografii wykluczającej rozmiar (SEC) i analizy elementarnej (EA) w celu odróżnienia argininy od form glinu. Całkowita zebrana objętość będzie zależeć od wielkości kolumny GPC, całkowitej ilości użytego materiału opakowaniowego oraz natężenia przepływu wody dejonizowanej używanej do elucji kolumny.
    1. Zbierz większość frakcji piku 1 w ciągu 100 minut przy natężeniu przepływu 0,2 ml/min.
    2. Zbieraj eluent w odstępach 30-minutowych, gdy na detektorze RI kolumny GPC pojawi się pik.
      UWAGA: Zmiana zakresu interwałów zmieni stężenie i czystość powstałego oczyszczonego materiału piku 1. Na początku lepiej jest zbierać małe odstępy piku, aby określić, która część zawiera najwyższe stężenie i czystość gatunków piku 1 dla określonej kolumny.
  4. Przygotować 1 % wag. NaCl.
  5. Przygotowany roztwór NaCl dodawać kroplami do 10 ml oczyszczonych nanocząstek Al(OH)3; materiał przygotowany przy użyciu wytrącania NaCl nie jest używany do dalszych doświadczeń.

3. Przygotowanie Al-MCM-41

  1. Aktywować około 1,0 g MCM-41 w temperaturze 120 °C w próżni przez 3 godziny w piecu próżniowym.
  2. Przygotować 50,0 g roztworu chlorku glinu, łącząc 9,6926 g AlCl3·6H2Oz 40,3074 g wody dejonizowanej.
  3. Dodać 0,7 g aktywowanego MCM-41 do 50,0 g roztworu chlorku glinu (przygotowanego w kroku 3.2).
  4. Odczekaj odpowiedni czas mieszania (1 h), aby zapewnić jednorodność AlCl3 dyfundowanego w kanałach MCM-41.
  5. Dodać L-argininę do niejednorodnej mieszaniny do stosunku molowego Arg/Al wynoszącego 2,75 przy mieszaniu magnetycznym. Podobnie jak w kroku 1.2, dodawaj argininę na tyle powoli, aby umożliwić natychmiast powstałym flokulatom ponowne rozpuszczenie i zmniejszenie zbrylania się argininy przed kontynuowaniem dodawania.
  6. Po uzyskaniu jednorodności mieszaninę ogrzewać w temperaturze 50 °C przez 72 godziny.
  7. Otrzymany niejednorodny roztwór przefiltrować za pomocą lejka Buchnera, pod próżnią i wyposażonego w wysokiej jakości okręgi z bibuły filtracyjnej o średnicy 90 mm (lub inne odpowiednie bibuły filtracyjne).
  8. Przefiltrowany biały proszek przepłukać nadmiarem wody dejonizowanej, aby zapewnić usunięcie nieprzereagowanego chlorku glinu, argininy lub rozpuszczalnych w wodzie produktów ubocznych z wyprodukowanego materiału Al-MCM-41.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Synteza nanogibbsytu

Nanogibbsyt przygotowano poprzez miareczkowanie AlCl3·6H2O (14% wag.) L-argininą do końcowego stosunku molowego Arg/Al wynoszącego 2,75. Syntezę nanocząstek gibbsytu monitorowano za pomocą SEC, która jest powszechnie stosowaną techniką analityczną dla roztworów częściowo hydrolizowanego chlorku glinu, zdolną do rozróżnienia pięciu domen określonych umownie jako piki 1, 2, 3, 4 i 5...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przygotowanie wodnego roztworu chlorku glinu wiązało się z użyciem krystalicznej sześciowodnej soli chlorku glinu. Chociaż można również stosować formę bezwodną, nie jest ona preferowana ze względu na jej znaczne właściwości higroskopijne, które utrudniają pracę z aluminium i kontrolowanie jego stężenia. Warto zauważyć, że roztwór chlorku glinu należy zużyć w ciągu kilku dni od przygotowania, ponieważ z biegiem czasu kwas wodny [Al(H2O)6]3+ hydrolizuje, dając niepożądane produkty uboczne,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy wyrażają swoje uznanie dla dr Thomasa J. Emge i Wei Liu z Uniwersytetu Rutgers za ich analizę i ekspertyzę w zakresie dyfrakcji rentgenowskiej pod małym kątem i dyfrakcji proszkowej promieniowania rentgenowskiego. Co więcej, autorzy dziękują Hao Wangowi za jego wsparcie w eksperymentach z adsorpcją N2.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
chlorek glinu sześciowodnyAlfa Aesar12297
L-argininaBioKyowaN/A wodorotlenek
glinuSigmaAldrich 239186
Bio-Gel P-4 GelBio-Rad150-4128
Siica mezoporowata (typ MCM-41)Sigma Aldrich643645

Bibliografia

  1. Laden, K. Antiperspirants and Deodorants. , 2nd, Marcel Dekker, Inc. New York. (1999).
  2. Kumara, C. K., Ng, W. J., Bandara, A., Weerasooriya, R. Nanogibbsite: Synthesis and characterization. J. Colloid Interface Sci. 352 (2), 252-258 (2010).
  3. 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).
  4. Elderfield, H., Hem, J. D. The development of crystalline structure in aluminum hydroxide polymorphs on ageing. Mineral. Mag. 39, 89-96 (1973).
  5. Wang, S. L., Johnston, C. T. Assignment of the structural OH stretching bands of gibbsite. Am. Mineral. 85, 739-744 (2000).
  6. 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).
  7. Scherrer, P. Bestimmung der Grosse und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen . Gottingen. 26, 98-100 (1918).
  8. 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).
  9. Swaddle, T. W., et al. Kinetic Evidence for Five-Coordination in AlOH(aq)2+ Ion. Science. 308 (5727), 1450-1453 (2005).
  10. Casey, W. H. Large Aqueous Aluminum Hydroxide Molecules. Chem. Rev. 106 (1), 1-16 (2006).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Synteza wodorotlenku glinumiareczkowanie L argininchromatografia elowaobci anie MCM 41ultraprecyzyjne nanocz steczkianaliza FTIRcharakterystyka XRDanaliza pierwiastkowa EDXanaliza powierzchni XPSmateria y mezoporowate
Łatwe przygotowanie ultradrobnych cząstek wodorotlenku glinu z mezoporowatym MCM-41 lub bez niego w środowisku otoczenia
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.