Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction

Ann M Anderson; Bradford A Bruno; Elizabeth A Donlon; Luisa F Posada; Mary K Carroll

doi:10.3791/57075

JoVE Journal > Chemistry

Chemistry

Fabrikation og afprøvning af katalytisk aerogeler fremstillet Via Rapid superkritisk ekstraktion

Published: August 31, 2018

doi:

10.3791/57075

Ann M Anderson*¹, Bradford A Bruno*¹, Elizabeth A Donlon, Luisa F Posada, Mary K Carroll*²

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

Summary

Her præsenterer vi protokoller for at forberede og teste katalytisk aerogeler ved at indarbejde metal arter i silica og aluminiumoxid aerogel platforme. Metoder til at forberede materialer ved hjælp af kobber salte og kobber-indeholdende nanopartikler er featured. Katalytisk testprotokoller demonstrere effektiviteten af disse aerogeler for tre-vejs katalyse applikationer.

Abstract

Protokoller for at forberede og teste katalytisk aerogeler ved at indarbejde metal arter i silica og aluminiumoxid aerogel platforme er præsenteret. Tre præparationsmetoder er beskrevet: (en) inddragelsen af metal salte i silica eller aluminiumoxid våde geler med en imprægnering metode; (b) indarbejdelsen af metal salte i alumina våde geler ved hjælp af en fælles forløber metode; og (c) tilsætning af metal nanopartikler direkte ind i en silica aerogel forløber blanding. Metoderne, der udnytter en hydraulisk varme presse, som giver mulighed for hurtig (< 6 h) superkritisk ekstraktion og resultater i aerogeler af lav befolkningstæthed (0,10 g/mL) og høje overfladeareal (200-800 m²/g). Mens arbejdet præsenteret her fokuserer på brug af kobber salte og kobber nanopartikler, kan tilgangen gennemføres ved hjælp af andre metalsalte og nanopartikler. En protokol for at teste tre-vejs katalytiske evne til disse aerogeler for automotive forurening afbødning er også præsenteret. Denne teknik bruger specialbyggede udstyr, Union katalytisk Testbed (UCAT), hvor et simuleret udstødning blanding er gået over en aerogel prøve ved en kontrolleret temperatur og flow-hastighed. Systemet er i stand til at måle den katalytiske aerogeler, under begge oxiderende evne og reducere betingelser, for at konvertere CO, nej og uforbrændte kulbrinter (HCs) til mindre skadelige arter (CO₂, H₂O og N₂). Eksempel katalytisk resultaterne præsenteres for aerogeler beskrevet.

Introduction

Basis af silica og aluminiumoxid aerogeler har bemærkelsesværdige egenskaber, herunder lav densitet, høj porøsitet, høje overfladeareal, god termisk stabilitet og lav varmeledningsevne¹. Disse egenskaber gør aerogel materialer attraktiv for en lang række applikationer¹^,². Et program, der udnytter den termiske stabilitet og høj areal af aerogeler er Heterogen katalyse; flere artikler anmeld litteratur i dette område²^,³^,⁴^,⁵. Der er mange tilgange til fabrikation af aerogel-baserede katalysatorer, herunder stiftelsesoverenskomst eller fastklemning af katalytisk arter inden for rammerne af en silica eller aluminiumoxid aerogel⁵^,⁶^,⁷^, ⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Det nuværende arbejde fokuserer på protokoller for forberedelse via hurtige superkritisk ekstraktion (RSCE) og katalytisk afprøvning af aerogel materialer til automotive forurening afbødning og bruger kobber-indeholdende aerogeler som eksempler.

Tre-vejs katalysatorer (TWCs) er almindeligvis ansat i forurening afbødning udstyr til benzin motorer¹². Moderne TWCs indeholder platin, palladium og/eller rhodium, platinum-gruppe metaller (platinmetaller), der er sjældne og derfor dyrt og miljømæssigt dyrt at opnå. Katalysatormaterialer baseret på mere let tilgængelige metaller ville have betydelige økonomiske og miljømæssige fordele.

Aerogeler kan fremstilles af våde geler ved hjælp af en række metoder¹. Målet er at undgå pore sammenbrud som opløsningsmiddel er fjernet fra gel. Ansat i denne protokol er en hurtig superkritisk ekstraktion (RSCE) metode, hvor udvinding opstår fra en gel begrænset inden for en metal skimmelsvamp i en programmerbar hydraulisk varme presse¹³^,¹⁴^,¹⁵^, ¹⁶. Brug af denne RSCE proces til fremstilling af silica aerogel Monoliter er tidligere påvist i en protokol¹⁷, hvor de relativt kort forberedelsestid forbundet med denne tilgang blev understreget. Superkritisk CO₂ udvinding er en mere fælles tilgang, men tager længere tid og kræver større brug af opløsningsmidler (herunder CO₂) end RSCE. Andre grupper har for nylig offentliggjort protokollerne for forberedelse af en række forskellige typer af aerogeler udnytte superkritisk CO₂ udvinding¹⁸^,¹⁹^,²⁰.

Her, præsenteres protokoller til at opdigte og katalytisk teste forskellige typer af kobber-indeholdende katalytiske aerogeler. Baseret på ingen reduktion og CO oxidation aktivitet rangordning af carbon-støttede uædle metaller katalysatorer under forhold af interesse for automotive forurening afbødning af Kapteijn et al. ²¹, kobber blev valgt som den katalytiske metal for dette arbejde. Fabrikation tilgange omfatte a imprægnering (IMP) af kobbersalte til aluminiumoxid eller silica våde geler¹¹, (b) ved hjælp af copper(II) og aluminium salte som fælles prækursorer (Co-P) når opdigte kobber-alumina aerogeler⁶^,²², og (c) narres kobber-indeholdende nanopartikler i en silica aerogel matrix under fabrikation¹⁰. I hvert tilfælde bruges en RSCE metode til fjernelse af opløsningsmidlet fra porerne i våde gel matrix¹³^,¹⁴^,¹⁵.

En protokol til vurdering af egnetheden af disse materialer som TWCs for automotive forurening afbødning, ved hjælp af Unionens katalytisk Testbed (UCAT)²³, er også præsenteret. Formålet med UCAT-systemet, centrale dele der er vist skematisk i figur 1, er at simulere de kemiske, termiske, og flow betingelser opleves i en typisk benzin motor katalysator. UCAT funktioner af passerer en simuleret udstødning blandingen over en aerogel prøve ved en kontrolleret temperatur og flow hastighed. Eksemplet aerogel er indlæst i en 2.25 cm diameter rørformet pakket bed flow celle (“test afsnit“), der indeholder eksemplet mellem to skærme. Indlæst flow-celle er placeret i en ovn til at styre udstødningsgas og katalysator temperatur og prøver af behandlede udstødning (dvs. udstødning flød gennem den pakkede seng) og ubehandlet gas (dvs. omgåelse pakket sengen) er undersøgt ved forskellige temperaturer op til 700 ˚cC. Koncentrationerne af tre vigtigste forurenende–CO, nej, og uforbrændte kulbrinter (HCs)–måles ved hjælp af en fem-gas analysator efter at være behandlet af aerogel katalysator, og separat i en ubehandlet (“bypass“) flow; “procent konvertering“ for hvert forurenende stof er beregnet ud fra disse data. Til afprøvning beskrevet heri, et kommercielt tilgængelige udstødning blend, California Bureau of Automotive reparation (BAR) 97 lave emissioner blanding var ansat. Fuld detaljer af UCAT‘s design og funktion er præsenteret i Bruno et al.²³

Figur 1. UCAT Test afsnit og prøvetagningssystemer. Genoptrykt med tilladelse fra 2016-01-0920 (Bruno et al. ²³), copyright 2016 SAE International. Yderligere distribution af dette materiale er ikke tilladt uden forudgående tilladelse fra SAE. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

Sikkerhedsovervejelser: Bære sikkerhedsbriller eller beskyttelsesbriller og laboratorium handsker på alle tidspunkter, når udfører forberedende arbejde med kemiske løsninger og ved håndtering af våde geler eller katalytiske aerogel materialer. Håndtere propylenoxid, tetramethyl MOSFET (TMOS), ethanol, metanol, ammoniak, nanopartikler og opløsninger indeholdende nogen af disse i et stinkskab. Læs Safety Data Sheets (SDS) for alle kemikalier, herunder nanopartikler, før arbejdet med dem. Bære en partikler maske…

Representative Results

Fotografiske billeder af den resulterende aerogeler er præsenteret i figur 2. Fordi de våde geler blev brudt i stykker før opløsningsmiddel exchange, er Al-Cu IMP og Si-Cu IMP aerogeler i små, uregelmæssigt formet monolitisk stykker. Det fremgår klart af farvning af disse prøver, som aerogeler indeholder kobber arter og at forekomme variationer i kobber artsdannelse og/eller ligand struktur inden for materialer. Al-Cu IMP aerogeler (<strong class="xfi…

Discussion

Nytte af RSCE metoden til fabrikation af katalytisk aerogeler og UCAT system for demonstrere katalytiske evne har vist heri. Store fordele ved disse protokoller over andre metoder er hastigheden af RSCE aerogel fabrikation og den relativt billig tilgang til katalytisk afprøvning af UCAT.

Gels til udvindes kan forberedes via en række forskellige metoder, herunder imprægnering af metalsalte til en aluminiumoxid eller silica våde gel matrix, optagelse af metalsalte som fælles prækursorer me…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Udvikling af syntese metoder for katalytisk aerogeler blev finansieret gennem National Science Foundation (NSF) grant nr. DMR-1206631. Design og konstruktion af UCAT blev finansieret gennem NSF grant nr. CBET-1228851. Yderligere støtte blev leveret af Union College Fakultet Research fund. Forfatterne vil også gerne anerkende bidragene af Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti og Vinicius Silva.

Materials

Variable micropipettor, 100-1000 µL	Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com	S304665	Any 100-1000 µL pipettor is suitable.
Variable Pipettor, 2.5-10 mL	Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com	21-379-25	Any variable pipettor is suitable.
Pasteur pipettes	FisherScientific	13-678-6A
Syringe	Purchased from Fisher Scientific	Z181390 syringe with Z261297 needle
Digital balance	OHaus Explorer Pro		Any digital balance is suitable.
Beakers	Purchased from Fisher Scientific		Any glass beaker is suitable.
Graduated Cylinder	Purchased from Fisher Scientific		Any glass graduated cylinder is suitable.
Magnetic Plate/Stirrer	FisherScientific Isotemp	SP88854200P	Any magnetic plate/stirrer is suitable.
Ultrasonic Cleaner	FisherScientific FS6	153356	Any sonicator is suitable.
Mold	Fabricated in House		Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel.
Hydraulic Hot Press	Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com	MTP-14	Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons.
UCAT (Union Catalytic Testbed)	Fabricated in House		Described in detail in reference #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 Gas	Praxair	MS_BAR97ZA-D7

References

Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chem. Rev. 102 (11), 4243-4266 (2002).
Schneider, M., Baiker, A. Aerogels in Catalysis. Catal. Rev. 37, 515-556 (1995).
Vallribera, A., Molins, E., Astruc, D. Aerogel Supported Nanoparticles in Catalysis. Nanoparticles and Catalysis. , (2007).
Amonette, J. E., Matyas, J. Functionalized silica aerogels for gas-phase purification, sensing, and catalysis: A review. Mircopor. Mesopor. Mater. 250, 100-119 (2017).
Juhl, S. J., Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Madero, J. E., Bono, M. S. Epoxide-Assisted Alumina Aerogels by Rapid Supercritical Extraction. J. Non-Cryst. Solids. 426, 141-149 (2015).
Bono, M. S., Dunn, N. J. H., Brown, L. B., Juhl, S. J., Anderson, A. M., Bruno, B. A., Mahony, M. K. Catalyst, Catalytic Converter and Method for the Production Thereof. US Patent. , (2016).
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).
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).
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).
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).
Heck, R., Farrauto, R., Gulati, S. . Catalytic Air Pollution Technology. , (2009).
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).
Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent No. , (2008).
Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and Device for Fabricating Aerogels and Aerogel Monoliths Obtained Thereby. US Patent. , (2011).
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).
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).
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).
Subrahmanyam, R., Gurikov, P., Meissner, I., Smirnova, I. Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents. J. Vis. Exp. (113), e54116 (2016).
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).
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).
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).
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).
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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Anderson, A. M., Bruno, B. A., Donlon, E. A., Posada, L. F., Carroll, M. K. Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction. J. Vis. Exp. (138), e57075, doi:10.3791/57075 (2018).