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

Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie i testowanie aerożeli katalitycznych otrzymanych w procesie szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/57075

⸱

31 sierpnia 2018

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

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokoły przygotowania i testowania aerożeli katalitycznych poprzez wprowadzanie gatunków metali do platform aerożelowych z krzemionki i tlenku glinu. Przedstawiono metody otrzymywania materiałów z wykorzystaniem soli miedzi i nanocząstek zawierających miedź. Protokoły badań katalitycznych wykazują skuteczność tych aerożeli w zastosowaniach katalizy trójdrożnej.

Streszczenie

Przedstawiono protokoły przygotowania i testowania aerożeli katalitycznych poprzez wprowadzanie gatunków metali do platform aerożelowych z krzemionki i tlenku glinu. Opisano trzy metody przygotowania: a) wprowadzanie soli metali do mokrych żeli z krzemionki lub tlenku glinu przy użyciu metody impregnacji; b) wprowadzanie soli metali do mokrych żeli z tlenku glinu przy użyciu metody współprekursorowej; oraz c) dodanie nanocząstek metali bezpośrednio do mieszaniny prekursorów aerożelu krzemionkowego. Metody te wykorzystują hydrauliczną prasę na gorąco, która pozwala na szybką (<6 h) ekstrakcję nadkrytyczną i daje aerożele o niskiej gęstości (0,10 g/ml) i dużej powierzchni (200-800m2/g). Podczas gdy prezentowane tutaj prace koncentrują się na wykorzystaniu soli miedzi i nanocząstek miedzi, podejście to można wdrożyć przy użyciu innych soli metali i nanocząstek. Przedstawiono również protokół badania trójdrożnej zdolności katalitycznej tych aerożeli do ograniczania zanieczyszczeń samochodowych. Technika ta wykorzystuje specjalnie skonstruowany sprzęt, Union Catalytic Testbed (UCAT), w którym symulowana mieszanina spalin jest przepuszczana przez próbkę aerożelu w kontrolowanej temperaturze i natężeniu przepływu. System jest w stanie mierzyć zdolność aerożeli katalitycznych, zarówno w warunkach utleniania, jak i redukcji, do przekształcania CO, NO i niespalonych węglowodorów (HC) w mniej szkodliwe związki (CO2,H2O i N2). Przykładowe wyniki katalityczne przedstawiono dla opisanych aerożeli.

Wprowadzenie

Aerogele na bazie krzemionki i tlenku glinu wykazują niezwykłe właściwości, w tym niską gęstość, wysoką porowatość, dużą powierzchnię właściwą, dobrą stabilność termiczną oraz niską przewodność cieplną1. Właściwości te sprawiają, że materiały aerogelowe są atrakcyjne dla wielu zastosowań1,2. Jednym z zastosowań wykorzystujących stabilność termiczną i wysoką powierzchnię właściwą aerogeli jest kataliza heterogeniczna; kilka artykułów przegląda literaturę w tej dziedzinie2,3,4,5. Istnieje wiele metod wytwarzania katalizatorów na bazie aerogeli, w tym włączanie lub zamykanie gatunków katalitycznych w strukturze aerogelu krzemionkowego lub glinowego5,6,7,8,9,10,11. Niniejsza praca skupia się na protokołach przygotowania za pomocą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej (RSCE) oraz testach katalitycznych materiałów aerogelowych do ograniczania zanieczyszczeń motoryzacyjnych, wykorzystując jako przykłady aerogele zawierające miedź.

Katalizatory trójdrożne (TWC) są powszechnie stosowane w urządzeniach do ograniczania zanieczyszczeń w silnikach benzynowych12. Nowoczesne katalizatory TWC zawierają platynę, pallad i/lub rod, czyli metale z grupy platynowców (PGM), które są rzadkie, a co za tym idzie, drogie i kosztowne środowiskowo w pozyskaniu. Materiały katalityczne oparte na bardziej dostępnych metalach przyniosłyby znaczące korzyści ekonomiczne i środowiskowe.

Aerogele można przygotować z żeli mokrych za pomocą różnych metod1. Celem jest uniknięcie zapadnięcia się porów podczas usuwania rozpuszczalnika z żelu. Proces zastosowany w niniejszym protokole to metoda szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej (RSCE), w której ekstrakcja odbywa się z żelu zamkniętego w metalowej formie w programowalnej hydraulicznej prasie termicznej13,14,15,16. Zastosowanie procesu RSCE do wytwarzania monolitów aerogelu krzemionkowego zostało wcześniej zaprezentowane w protokole17, w którym podkreślono stosunkowo krótki czas przygotowania związany z tym podejściem. Ekstrakcja nadkrytycznym CO2 jest częściej stosowaną metodą, ale zajmuje więcej czasu i wymaga większego zużycia rozpuszczalników (w tym CO2) niż RSCE. Inne grupy opublikowały ostatnio protokoły przygotowania różnych rodzajów aerogeli z wykorzystaniem ekstrakcji nadkrytycznym CO218,19,20.

W niniejszym opracowaniu przedstawiono protokoły wytwarzania i testowania katalitycznego różnych typów miedziowych aerogeli katalitycznych. Miedź została wybrana jako metal katalityczny do niniejszej pracy w oparciu o ranking aktywności redukcji NO i utleniania CO katalizatorów na bazie metali ziemnych osadzonych na węglu w warunkach istotnych dla ograniczania zanieczyszczeń motoryzacyjnych, przedstawiony przez Kapteijn et al.21. Metody wytwarzania obejmują (a) impregnację (IMP) soli miedzi w mokrych żelach tlenku glinu lub krzemionki11, (b) zastosowanie soli miedzi(II) i glinu jako ko-prekursorów (Co-P) podczas wytwarzania aerogeli miedziowo-glinowych6,22 oraz (c) zamykanie nanocząstek zawierających miedź w matrycy aerogelu krzemionkowego podczas procesu wytwarzania10. W każdym przypadku do usunięcia rozpuszczalnika z porów matrycy mokrego żelu zastosowano metodę RSCE13,14,15.

Protokół oceny przydatności tych materiałów jako trójdrożnych katalizatorów (TWC) w celu ograniczania zanieczyszczeń w motoryzacji, z wykorzystaniem stanowiska testowego Union Catalytic Testbed (UCAT)23, został również przedstawiony. Celem systemu UCAT, którego kluczowe elementy przedstawiono schematycznie w Rycina 1ma na celu symulację warunków chemicznych, termicznych i przepływowych występujących w typowym konwerterze katalitycznym silnika benzynowego. UCAT działa poprzez przepuszczanie symulowanej mieszaniny spalin nad próbką aerogelu przy kontrolowanej temperaturze i natężeniu przepływu. Próbkę aerogelu umieszcza się w rurkowym ogniwie przepływowym z wypełnionym złożem o średnicy 2,25 cm ("sekcja testowa"), w którym próbka znajduje się pomiędzy dwoma sitami. Załadowaną celę przepływową umieszcza się w piecu w celu kontrolowania temperatury spalin i katalizatora, a następnie bada próbki spalin oczyszczonych (tzn. przepływających przez złoże stałe) oraz gazu nieoczyszczonego (tzn. omijającego złoże stałe) w zakresie temperatur do 700 ˚C. Stężenia trzech kluczowych zanieczyszczeń – CO, NO oraz niespalonych węglowodorów (HC) – są mierzone za pomocą analizatora pięciogazowego po oczyszczeniu przez katalizator aerogelowy oraz oddzielnie w próbce nieoczyszczonej ("pominięcie"przepływ; z tych danych "procent konwersji" oblicza się dla każdego zanieczyszczenia. Do przeprowadzonych tutaj badań wykorzystano komercyjnie dostępną mieszaninę spalin, mieszaninę o niskiej emisji California Bureau of Automotive Repair (BAR) 97 LOW. Pełne szczegóły dotyczące UCAT'Konstrukcja i działanie urządzenia zostały przedstawione w pracy Bruno i wsp.23

Schemat systemu zarządzania termicznego; wymiennik ciepła, grzałka PID, analizator gazów, układ akwizycji danych.
Rycina 1. Sekcja testowa UCAT i systemy próbkowania. Przedrukowano za zgodą z 2016-01-0920 (Bruno et al.23), Copyright 2016 SAE International. Dalsza dystrybucja niniejszego materiału jest niedozwolona bez uprzedniej zgody SAE. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

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

Protokół

Względy bezpieczeństwa: Nosić okulary ochronne lub gogle oraz rękawice laboratoryjne przez cały czas podczas wykonywania prac przygotowawczych z roztworami chemicznymi oraz podczas pracy z mokrymi żelami lub katalitycznym aerożelem. W dygestorii należy obchodzić się z tlenkiem propylenu, ortokrzemianem tetrametylu (TMOS), etanolem, metanolem, amoniakiem, nanocząstkami i roztworami zawierającymi którykolwiek z tych składników w dygestorium. Przeczytaj karty charakterystyki (SDS) dla wszystkich chemikaliów, w tym nanocząstek, przed rozpoczęciem pracy z nimi. Nosić maskę cząstek stałych podczas kruszenia próbek aerożelu oraz podczas załadunku i rozładunku komory testowej. Nosić okulary lub gogle ochronne podczas obsługi gorącej prasy hydraulicznej lub katalitycznego stanowiska testowego. Zwiąż długie włosy i nie noś luźnych ubrań (na przykład szalików) podczas pracy z prasą na gorąco. Jak zauważono w naszym poprzednim protokole17, zastosuj osłonę bezpieczeństwa wokół gorącej prasy, odpowiednio odpowietrz gorącą prasę i upewnij się, że w pobliżu nie ma źródeł zapłonu. Zapewnić prawidłową wentylację stanowiska testowego i wszystkich wylotów gazów i. Zainstalować monitory gazu NO i CO w przestrzeni operatora powiązanej ze stanowiskiem do badań katalitycznych. Nosić rękawice kuchenne podczas wyjmowania lub wymiany gorącej komory testowej.

1. Wytwarzanie żeli zolowych z tlenku glinu i miedzi przy użyciu soli miedzi

Uwaga: Przepisy na żele zolowe z tlenku glinu i miedzi (Al-Cu) są pokazane w Tabeli 1. Wszystkie preparaty roztworów są wykonywane w dygestorium.

  1. Przygotuj odczynniki i inne materiały eksploatacyjne
    1. Zbierz potrzebne odczynniki: sześciowodny chlorek glinu, trójwodny azotan miedzi, tlenek propylenu, etanol klasy odczynnikowej i etanol absolutny.
    2. Zaopatrz się w potrzebne materiały: czyste i suche zlewki (dwie o pojemności 250 ml), czyste, suche, magnetyczne mieszadło, cylinder z podziałką o pojemności 50 lub 100 ml, jedną strzykawkę podskórną o pojemności 10 ml, jedną skalibrowaną wagę cyfrową.
    3. Zaopatrz się w mały sonikator na skalę laboratoryjną i przygotuj się do użycia, dodając wodę do linii napełniania i upewniając się, że obie zlewki mogą być umieszczone w sonikatorze bez przewracania się.
  2. Synteza żeli zolowych z tlenku glinu i miedzi metodą impregnacji (Al-Cu IMP)
    1. Za pomocą skalibrowanej wagi cyfrowej odważyć 5,92 g sześciowodnego chlorku glinu i dodać do zlewki o pojemności 250 ml. Dodaj 40 ml etanolu klasy odczynnikowej i mieszadło do tej samej zlewki o pojemności 250 ml. Przykryj zlewkę folią parafinową i umieść na płycie magnetycznej do mieszania z umiarkowaną prędkością, aż sól glinu się rozpuści (około 15 min). Wyjmij zlewkę z płytki magnetycznej i odkryj.
    2. Za pomocą strzykawki o pojemności 10 ml przekłuć przegrodę na butelce z tlenkiem propylenu i dodać 8 ml tlenku propylenu do zlewki o pojemności 250 ml. Umieść folię parafinową na zlewce i umieść na płytce magnetycznej do mieszania z umiarkowaną prędkością, aż roztwór zżeluje się (około 5 min). Zdjąć zlewkę z płytki magnetycznej i pozostawić żel do leżakowania w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
    3. Za pomocą skalibrowanej wagi cyfrowej odważyć 1,4 g trójwodzianu azotanu miedzi i dodać do zlewki. Dodać 40 ml absolutnego etanolu do zlewki. Umieść zlewkę w sonikatorze i sonikuj do momentu rozpuszczenia się soli miedzi (około 10 min).
    4. Odlej nadmiar rozpuszczalnika z żelu z tlenku glinu, wyjmij mieszadło i rozbij żel na kilka kawałków (5-10 mm z każdej strony) za pomocą szpatułki. Wlać roztwór miedzi do zlewki zawierającej żel. Przykryj zlewkę folią parafinową i pozwól żelowi leżakować w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
    5. Odlej nadmiar rozpuszczalnika i dodaj 40 ml świeżego absolutnego etanolu. Umieść folię parafinową na zlewce i pozwól żelowi leżakować przez kolejne 24 godziny w temperaturze pokojowej.
    6. Powtórz krok 1.2.5 co najmniej raz, aby upewnić się, że usunięto nadmiar tlenku propylenu (odczynnika) i wszelkie produkty uboczne reakcji6.
    7. Przejdź do kroku 3 (Przetwarzanie... w aerożele...)do przeprowadzenia ekstrakcji nadkrytycznej rozpuszczalnika z mokrych żeli w celu uzyskania aerożeli.
  3. Synteza żeli zolowych z tlenku glinu i miedzi metodą koprekursorową (Al-Cu CoP)
    1. Za pomocą skalibrowanej wagi cyfrowej odważyć 4,52 g sześciowodnego chlorku glinu i 1,4 g trójwodnego azotanu miedzi. Dodaj te sole do czystej zlewki o pojemności 250 ml. Do zlewki o pojemności 250 ml dodać 40 ml etanolu z odczynnikiem i mieszadło. Przykryj zlewkę folią parafinową i umieść na płycie magnetycznej do mieszania z umiarkowaną prędkością, aż sole glinu i miedzi rozpuszczą się (około 15 min). Wyjmij zlewkę z płytki magnetycznej i odkryj.
    2. Za pomocą strzykawki o pojemności 10 ml przekłuć przegrodę na butelce z tlenkiem propylenu i dodać 9,5 ml tlenku propylenu do zlewki o pojemności 250 ml. Wymień folię parafinową na zlewkę i umieść na płycie magnetycznej. Mieszaj, aż roztwór zżeluje się (15-20 min). Wyjmij zlewkę z płytki magnetycznej i pozwól żelowi leżakować w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
    3. Odlej nadmiar rozpuszczalnika z żelu i rozbij żel na kilka kawałków (5-10 mm z każdej strony) za pomocą szpatułki. Dodać 40 ml świeżego absolutnego etanolu do zlewki, przykryć 250 ml zlewki folią parafinową i pozostawić żel do leżakowania w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
    4. Odlej nadmiar rozpuszczalnika i dodaj 40 ml świeżego absolutnego etanolu. Umieść folię parafinową na zlewce i pozwól żelowi leżakować przez kolejne 24 godziny w temperaturze pokojowej.
    5. Powtórzyć krok 1.3.4 co najmniej raz w celu usunięcia nadmiaru tlenku propylenu i wszelkich produktów ubocznych reakcji.
    6. Przejdź do kroku 3 (Przetwarzanie... w aerożele...)do przeprowadzenia ekstrakcji nadkrytycznej rozpuszczalnika z mokrych żeli w celu uzyskania aerożeli.

2. Wytwarzanie żeli krzemionkowo-miedzianych przy użyciu soli miedzi

Uwaga: Przepis na żele zolowe krzemionkowo-miedziany (Si-Cu) jest pokazany w Tabeli 2. Wszystkie preparaty roztworów są wykonywane w dygestorium.

  1. Przygotuj odczynniki i inne materiały eksploatacyjne
    1. Zbierz potrzebne odczynniki: ortokrzemian tetrametylu (TMOS), metanol, wodę dejonizowaną, amoniak, trójwodny azotan miedzi i absolutny etanol.
    2. Przygotować 100 ml 1,5-M roztworu amoniaku, rozcieńczając 10,1 ml 14,8-M stężonego amoniaku do 100 ml wodą dejonizowaną.
    3. Zaopatrz się w potrzebne materiały: czyste i suche zlewki (w tym jedną zlewkę o pojemności 250 ml i jedną o pojemności 100 ml); skalibrowane pipety o zmiennej objętości (zalecana jest jedna pipeta cyfrowa o pojemności 1000 μl i jedna o pojemności 10,0 ml z odpowiednimi końcówkami); jedną butlę miarową o pojemności 50 ml lub 100 ml; jedną skalibrowaną wagę cyfrową.
    4. Zaopatrz się w mały sonikator na skalę laboratoryjną i przygotuj się do użycia, dodając wodę do linii napełniania i upewniając się, że obie zlewki mogą być umieszczone w sonikatorze bez przewracania się.
  2. Synteza żelu krzemionkowo-miedziowo-zolowego metodą impregnacji (Si-Cu IMP)
    1. Odpipetować 8,5 ml TMOS do zlewki o pojemności 250 ml. Dodać 27,5 ml metanolu do zlewki o pojemności 250 ml za pomocą cylindra z podziałką. Odpipetować 3,6 ml wody do zlewki o pojemności 250 ml. Przykryj zlewkę o pojemności 250 ml filmem parafinowym i poddaj mieszaninę sonikacji, aż stanie się roztworem jednofazowym (5-10 min), a następnie odkryj.
    2. Odpipetować 1,35 ml 1,5-M NH3 do zlewki o pojemności 250 ml. Wymienić film parafinowy na zlewkę i sonikować aż do momentu zżelowania (około 2 min). Pozostaw żel do leżakowania w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
    3. Za pomocą skalibrowanej wagi cyfrowej odważyć 0,55 g trójwodzianu azotanu miedzi i dodać do zlewki o pojemności 100 ml. Dodaj 20 ml absolutnego etanolu do 100-mililitrowej zlewki. Umieść 100-mililitrową zlewkę w sonikatorze i sonikuj, aż sól miedziowa całkowicie się rozpuści (około 10 minut).
    4. Rozbij żel krzemionkowy na kilka kawałków (5-10 mm z każdej strony) za pomocą szpatułki i dodaj roztwór miedzi do zlewki o pojemności 250 ml zawierającej żel. Umieść folię parafinową na zlewce i pozwól żelowi leżakować w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
    5. Odlej nadmiar rozpuszczalnika i dodaj 20 ml świeżego absolutnego etanolu. Umieść folię parafinową na zlewce i pozwól żelowi leżakować przez kolejne 24 godziny.
    6. Powtórz krok 2.2.5. co najmniej raz.
    7. Przejdź do kroku 3 (Przetwarzanie... w aerożele...)do przeprowadzenia ekstrakcji nadkrytycznej rozpuszczalnika z mokrych żeli w celu uzyskania aerożeli.

3. Przetwarzanie żeli zolowych tlenek glinu i miedzi oraz krzemionkowo-miedziowych w aerożele poprzez szybką ekstrakcję nadkrytyczną

  1. Przygotuj prasę na gorąco i formę
    1. Zaopatrz się w formę ze stali nierdzewnej o odpowiedniej wielkości. Na przykład forma o wymiarach 12,7 cm x 12,7 cm x 1,8 cm z czterema okrągłymi studzienkami o średnicy 3,8 cm i głębokości 1,5 cm.
    2. Przygotuj materiał uszczelki. Wytnij uszczelki o rozmiarze wystarczającym do całkowitego pokrycia formy (w tym przykładzie >12,7 cm x >12,7 cm) z grafitowej uszczelki o grubości 1,6 mm i folii ze stali nierdzewnej o grubości 0,012 mm.
    3. Zaprogramuj gorącą prasę do ekstrakcji etanolu, parametry patrz tabela 3.
  2. Wykonaj ekstrakcję nadkrytyczną w gorącej prasie
    1. Po przygotowaniu i wymianie mokrych żeli na etanol (etap 1.2.6, 1.3.5 lub 2.2.6) zdekantować nadmiar rozpuszczalnika.
    2. Rozprowadź mokre żele zolowe w dołkach formy i wyśrodkuj formę na gorącej płycie grzewczej. Uzupełnij każdą studzienkę absolutnym etanolem.
    3. Na wierzchu formy umieść materiały uszczelniające, używane do uszczelnienia formy: najpierw folię ze stali nierdzewnej, a następnie arkusz grafitowy.
    4. Rozpocznij program ekstrakcji na gorąco.
    5. Po zakończeniu procesu (około 5 godzin) usuń formę z gorącej prasy. Usuń materiał uszczelki z formy i przenieś aerożele do pojemników na próbki.

4. Wytwarzanie monolitów aerożelowych z krzemionki domieszkowanej nanocząstkami miedzi (Si-Cu NP)

  1. Przygotuj odczynniki i materiały eksploatacyjne
    1. Zebrać odczynniki: TMOS, metanol, wodę dejonizowaną, nanocząstki tlenku miedzi (II) o wielkości od 25 do 55 nm rozproszone w wodzie o stężeniu 20% wag. i 1,5-M wodny roztwór amoniaku (jak opisano w kroku 2.1.2.). Można stosować różne rodzaje (stopnie utlenienia, rozmiary) i stężenia nanocząstek z dostosowaniem receptury.
    2. Przygotuj materiały: czyste i suche zlewki (w tym jedna o pojemności 250 ml i jedna o pojemności 100 ml); skalibrowane pipety o zmiennej objętości (zalecana jest jedna pipeta cyfrowa o pojemności 10 ml i jedna o pojemności 1 000 μl z odpowiednimi końcówkami); jednorazowa pipeta Pasteura; jedna skalibrowana waga cyfrowa.
    3. Zaopatrz się w mały sonikator na skalę laboratoryjną i przygotuj się do użycia, dodając wodę do linii napełniania i upewniając się, że obie zlewki mogą być umieszczone w sonikatorze bez przewracania się.
  2. Przygotuj prasę na gorąco i formę
    1. Przygotuj stalową formę o odpowiedniej wielkości. W tym przykładzie forma o wymiarach 12,7 cm x 12,7 cm x 1,905 cm z dziewięcioma okrągłymi studzienkami przelotowymi o średnicy 1,905 cm. Spryskaj studzienki smarem o wysokiej temperaturze, aby ułatwić usuwanie aerożeli po przetworzeniu.
    2. Przygotuj materiał uszczelki. Zbierz grafitową uszczelkę o grubości 1,6 mm i folię ze stali nierdzewnej o grubości 0,012 mm i wytnij trzy kawałki każdego z nich o rozmiarze wystarczającym do całkowitego pokrycia formy (w tym przykładzie >12,7 cm x >12,7 cm).
    3. Zaprogramuj prasę na gorąco do uszczelniania i ekstrakcji. Patrz odpowiednio Tabela 4 i Tabela 5, aby zapoznać się z wartościami programowymi.
      nuta: Uszczelnienie jest konieczne, aby zapobiec wyciekaniu cieczy z otwartych dna formy.
    4. Umieść materiał uszczelki i formę na środku płyt prasowych na gorąco w następującej kolejności: grafit, folia, forma, folia, grafit. Uruchom program uszczelniania (korzystając z parametrów w tabeli 4).
  3. Przygotuj roztwór prekursora dla aerożeli NP Si-Cu
    nuta: Receptura aerożelu krzemionkowego zawierającego 5% wagowych nanocząstek tlenku miedzi (II) znajduje się w tabeli 6. Receptura ta może być modyfikowana w celu uwzględnienia różnych procentowych ilości wagowych miedzi. Wszystkie roztwory należy przenosić i mieszać w dygestorium.
    1. Umieść czystą zlewkę o pojemności 250 ml na skalibrowanej wadze cyfrowej i odpipetuj około 13 ml TMOS do zlewki o pojemności 250 ml. W razie potrzeby dodać dodatkowe TMOS za pomocą pipety Pasteura, aby uzyskać łącznie 13,04 g TMOS.
    2. Odpipetować łącznie 32,63 g metanolu do zlewki o pojemności 250 ml. Odpipetować 3,90 g wody dejonizowanej do zlewki o pojemności 250 ml.
    3. Wstrząśnij 20% wagową nanodyspersją tlenku miedzi (II), aby upewnić się, że wszelkie nanocząstki, które osiadły na dnie, zostały ponownie zawieszone, a następnie odpipetować 1,50 g nanodyspersji do 250-mililitrowej zlewki z roztworem prekursora. Odpipetować 200 μl 1,5-M amoniaku do zlewki o pojemności 250 ml.
    4. Przykryj zlewkę folią parafinową i sonikuj mieszaninę przez 5-10 minut, aż stanie się roztworem jednofazowym.
  4. Wykonaj żelowanie i ekstrakcję nadkrytyczną w gorącej prasie
    1. Po zakończeniu programu uszczelniania usuń górną uszczelkę, uważając, aby nie przesunąć formy. W tym momencie spód formy został uszczelniony.
    2. Całkowicie napełnij każdą studzienkę roztworem prekursora.
      nuta: Pozostanie rozwiązanie. Można go wyrzucić lub pozostawić do wyschnięcia w warunkach otoczenia, aby uzyskać kserożele.
    3. Umieść świeży kawałek folii, a następnie świeży kawałek grafitu na wierzchu formy.
    4. Uruchom program do ekstrakcji (używając parametrów w tabeli 5).
    5. Po zakończeniu programu ekstrakcji (około 8 godzin) usuń formę i materiał uszczelki z gorącej prasy. Delikatnie oderwij materiał uszczelki od góry formy i wyrzuć go. Ostrożnie wepchnij każdy aerożel do pojemnika na próbkę za pomocą palca w rękawiczce.

5. Obsługa stanowiska do testów katalitycznych Unii

  1. Przygotuj i załaduj próbkę
    1. Lekko zmiażdżyć około 30 ml aerożelu na kawałki o średnicy około 1 do 2 mm za pomocą moździerza i tłuczka. Nie krusz aerożelu na proszek.
    2. Zmierzyć około 30 ml katalitycznego aerożelu za pomocą czystego, suchego cylindra z podziałką.
      nuta: Aerożele kurczą się podczas obróbki cieplnej, dlatego konieczne jest upewnienie się, że dostępnych jest 15-20 ml aerożelu do przetestowania po obróbce cieplnej.
    3. Umieścić aerożel w tyglach ceramicznych, luźno przykryć tygle i kalcynować w piecu w temperaturze 800 °C przez 24 godziny.
    4. Wyjąć tygle z pieca i ostudzić.
    5. Odmierz 20 ml aerożelu i wlej do czystej, suchej sekcji testowej UCAT i włóż sitko końcowe, aby utrzymać próbkę na miejscu podczas badania.
    6. Przekrój testu obciążenia do zespołu UCAT za pomocą miedzianych podkładek i zacisków do uszczelnienia. Bezpiecznie zamknij piekarnik UCAT.
      nuta: Aby uniknąć uszkodzenia piekarnika lub zwarć elektrycznych, upewnij się, że sekcja testowa nie styka się z wewnętrzną ścianą piekarnika.
  2. Przygotuj unijne stanowisko do badań katalitycznych
    1. Sprawdź, czy detektory CO i NO są włączone i działają.
    2. Sprawdź symulowany dopływ spalin. Wymień symulowaną butelkę wydechową przed rozpoczęciem badania, jeśli ciśnienie jest poniżej 700 kPa.
    3. Ustaw regulator ciśnienia gazu na 345 kPa. Ustaw regulator ciśnienia powietrza na 345 kPa. Test szczelności przewodów przepływu spalin.
    4. Włącz i wyzeruj skalibrowane analizatory pięciogazowe. Ustaw analizatory do pomiaru. Pozostaw analizatory włączone na 30 minut, aby się rozgrzały.
    5. Ustaw żądaną temperaturę piekarnika (zwykle 200 °C dla pierwszego odczytu) i uruchom piekarnik. Upewnij się, że zawór obejściowy jest ustawiony tak, aby dostarczać powietrze przez komórkę testową.
    6. Dostosuj regulatory masowego natężenia przepływu, aby dostarczały odpowiednią ilość powietrza (używanego podczas rozgrzewania) i symulowanego spaliny (używanego podczas testów), aby utrzymać pożądaną prędkość kosmiczną.
      nuta: W naszym systemie odbywa się to po prostu poprzez ustawienie żądanej prędkości przestrzennej w programie sterującym systemu. Regulatory przepływu masowego są automatyczne i dostosowują masowe natężenia przepływu do wymaganych wartości, w oparciu o temperaturę pieca, aby utrzymać wybraną prędkość przestrzenną.
    7. Włącz przepływ powietrza rozgrzewającego / przedmuchującego przez komórkę testową i poczekaj, aż przepływ przez komorę testową ustabilizuje się w żądanej temperaturze testowej (zwykle 30 min).
  3. Wykonaj pomiar.
    1. Ponownie wyzeruj analizator pięciogazowy i ustaw zawór obejściowy tak, aby wysyłał przepływ w celu ominięcia sekcji testowej. Wyłącz powietrze rozgrzewające / przedmuchujące.
    2. Włącz symulowany przepływ spalin. Pozwól, aby odczyty analizatora pięciu gazów ustabilizowały się (ok. 90 s) i zarejestrowały stężenia zanieczyszczeń w obejściu (symulowanej butli wydechowej).
    3. Ustaw zawór obejściowy tak, aby kierował przepływ przez sekcję testową. Poczekaj, aż pięć odczytów analizatora gazów ustabilizuje się (ok. 360 s) i zarejestruj stężenia zanieczyszczeń spalin oczyszczonych bez użycia tlenu.
    4. Włącz dodawanie tlenu do mieszanki. Poczekaj, aż odczyty analizatora pięciu gazów ustabilizują się (ok. 90 s) i zapisz stężenia zanieczyszczeń spalin poddanych działaniu tlenu.
    5. Ustaw zawór obejściowy tak, aby wysyłał przepływ w celu ominięcia sekcji testowej. Poczekaj, aż odczyty analizatora pięciu gazów ustabilizują się (ok. 90 s) i ponownie zarejestruj stężenia zanieczyszczeń w obejściu (symulowanej butelce wydechowej).
    6. Wyłącz symulowany przepływ spalin.
    7. Zwiększ temperaturę pieca do następnego żądanego stanu (zwykle o 50 °C wyższego), a następnie powtórz kroki od 5.2.6 do 5.3.6. Kontynuuj aż do zakończenia pomiarów w żądanej temperaturze maksymalnej (zwykle 600 °C).
  4. Zamknięcie stanowiska do badań katalitycznych Union
    Uwaga: Po zakończeniu ostatniego obejścia (typu w temperaturze 600 °C) test jest zakończony. Wyłącz stanowisko testowe.
    1. Wyłącz symulowane zawory i regulatory butli wydechowej. Wyłącz piekarnik, analizator pięciu gazów i powietrze.
chemicznyIlość (metoda impregnacji)Ilość (metoda współprekursora)
AlCl3•7H2O5,92 gr4,52 gr
Cu(NO3)2•3H2O1,4 grama1,4 grama
Tlenek propylenu8 ml9,5 ml
Odczynnik etylowy40 ml40 ml
Alkohol etylowy120 ml120 ml

Tabela 1. Przepis na przygotowanie żeli zolowych z tlenku glinu i miedzi.

)
chemicznyIlość (metoda impregnacji)
Certyfikat TMOS (TMOS)8,5 ml
MeOH (Białko MeOH27,5 ml
H2O3,6 ml
1,5 m NH31,35 ml
Etanol absolutny60 ml
Cu(NO3)2•3H2O0,55 gr

Tabela 2. Receptura na przygotowanie żeli krzemionkowo-miedziano-zolowych.

szt. szt. szt. pkt. szt. szt. szt.
Krok #Temperatura (°C)Temp Rate (°C/min)Siła (kN)Szybkość siły (kN/min)Czas przebywania (min)
1Rozdział 3030020030000,25
cyfra arabskaZ kolei 2502.2200--Rozdział 30
3Z kolei 250--Rozdział 4.5Rozdział 4.515
4Rozdział 302.2Rozdział 4.5--1
5koniec

Tabela 3. Parametry programu ekstrakcji na gorąco dla żeli zolowych tlenek glinu-miedzi i krzemionkowo-miedziowych.

Rozdział szt.
Krok #Temperatura (°C)Temp Rate (°C/min)Siła (kN)Szybkość siły (kN/min)Czas przebywania (min)
1od--90300010
cyfra arabskakoniec

Tabela 4. Parametry programu zgrzewania na gorąco.

szt. szt. szt. pkt. szt. szt. szt.
Krok #Temperatura (°C)Temp Rate (°C/min)Siła (kN)Szybkość siły (kN/min)Czas przebywania (min)
1Rozdział 3030018030000,25
cyfra arabska2901.6180--Rozdział 30
3290--Rozdział 4.5Rozdział 4.515
4Rozdział 401.6Rozdział 4.5--1
5koniec

Tabela 5. Parametry programu ekstrakcji na gorąco dla aerożeli krzemionkowych domieszkowanych nanocząstkami miedzi.

pkt. pkt.
chemicznyIlość (ml)Ilość (g)
Certyfikat TMOS (TMOS)Godzina 12,75Godzina 13.04
metanolGodzina 41,25Do godziny 32,63
Woda3,93,9
Nanodyspersja1,51,5
amoniak0,20,15

Tabela 6. Receptura wytwarzania aerożeli krzemionkowych domieszkowanych nanocząstkami miedzi o stężeniu 5% wag.

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

Wyniki

Fotografie otrzymanych aerogeli przedstawiono na Rysunku 2. Ponieważ żele mokre zostały rozbite na kawałki przed wymianą rozpuszczalnika, aerogele Al-Cu IMP oraz Si-Cu IMP występują w postaci małych, nieregularnych fragmentów monolitycznych. Z zabarwienia tych próbek jasno wynika, że aerogele zawierają związki miedzi oraz że w obrębie materiałów występują różnice w specjacji miedzi i/lub strukturze ligandów. Aerogele Al-Cu IMP (Rysunek 2a...

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

Dyskusja

W artykule wykazano przydatność metody RSCE do wytwarzania aerożeli katalitycznych oraz systemu UCAT do wykazywania zdolności katalitycznych. Głównymi zaletami tych protokołów w porównaniu z innymi metodami są szybkość wytwarzania aerożelu RSCE i stosunkowo niedrogie podejście do testów katalitycznych za pomocą UCAT.

Żele do ekstrakcji można przygotować różnymi metodami, w tym przez impregnację soli metali w mokrą matrycę żelową z tlenku glinu lub krzemionki, włączenie soli metali jako kopreku...

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

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Opracowanie metod syntezy aerożeli katalitycznych zostało sfinansowane z grantu National Science Foundation (NSF) nr. DMR-1206631. Projekt i budowa UCAT zostały sfinansowane z grantu NSF nr. CBET-1228851. Dodatkowe fundusze zostały zapewnione przez fundusz badawczy Union College Faculty Research. Autorzy chcieliby również podziękować za wkład Zachary'ego Tobina, Aude Bechu, Ryana Boucka, Adama Fortiego i Viniciusa Silvy.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Mikropipetor zmienny, 100-1000 i mikro; LWyprodukowane przez Eppendorf, zakupione od Fisher Scientific www.fishersci.comS304665Any 100-1000 µ Odpowiedni jest pipetor L.
Pipet zmienny, 2,5-10 mlWyprodukowany przez Eppendorf, zakupiony w Fisher Scientific www.fishersci.com21-379-25Odpowiedni jest każdy pipetor zmienny.
Pipety PasteuraFisherScientific13-678-6A
w firmie Fisher ScientificZ181390 strzykawka z igłą Z261297 Waga
cyfrowaOHaus Explorer ProKażda waga cyfrowa jest odpowiednia.
Zlewkizakupione w Fisher ScientificKażda szklana zlewka jest odpowiednia.
Cylinder z podziałkązakupiony w Fisher ScientificKażdy szklany cylinder z podziałką jest odpowiedni.
Płyta magnetyczna/mieszadłoFisherScientific IsotempSP88854200PKażda płyta magnetyczna / mieszadło jest odpowiednie.
Myjka ultradźwiękowaFisherScientific FS6153356Każdy sonikator jest odpowiedni.
Formawytwarzana we własnym zakresieWytwarzana ze stali walcowanej na zimno lub stali nierdzewnej.
Hydrauliczny czworościan do prasowania na gorącowww.tetrahedronassociates.comMTP-14Każda prasa na gorąco z kontrolą temperatury i siły będzie działać. Potrzebuje maksymalnej temperatury ~550 F i maksymalnej siły 24 ton.
UCAT (Union Catalytic Testbed)Wyprodukowane we własnym zakresieOpisane szczegółowo w odnośniku #21:  Bruno, BA, Anderson, AM, Carroll, MK, Brockmann, P., Swanton, T., Ramphal, IA, Palace, T. Testowanie katalizatorów aerożelowych w skali laboratoryjnej. Dokument techniczny SAE 2016-01-920 (2016).
Bar 97 GazPraxairMS_BAR97ZA-D7
Strzykawka zakupiona

Bibliografia

  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).

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Impregnacja metalamimetoda wsp prekursorowadodawanie nanocz stekhydrauliczna prasa na gor counijny stanowisko testowe do katalizykataliza tr jdro naograniczanie zanieczyszcze motoryzacyjnychtestowanie aerogeli
Wytwarzanie i testowanie aerożeli katalitycznych otrzymanych w procesie szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.