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

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Chemistry

Tillverkning och provning av katalytisk Aerogel redo Via snabba Överkritisk extraktion

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

Här presenterar vi protokoll för att förbereda och testa katalytisk Aerogel genom att införliva metall arter i kvarts och aluminiumoxid aerogel plattformar. Metoder för att förbereda material med koppar salter och koppar-innehållande nanopartiklar finns. Katalytisk testprotokoll demonstrera effektiviteten av dessa Aerogel för tre-vägs katalys applikationer.

Abstract

Protokoll för att förbereda och testa katalytisk Aerogel genom att införliva metall arter i kvarts och aluminiumoxid aerogel plattformar presenteras. Tre beredningsmetoder beskrivs: (a) införlivandet av metall salter i kiseldioxid eller aluminiumoxid våta geler med hjälp av impregnering metod; (b) införlivandet av metall salter i aluminiumoxid våt gel med en samtidig föregångare metod; och (c) tillägg av metall nanopartiklar direkt i en kiseldioxid aerogel föregångare blandning. Metoderna utnyttjar en hydraulisk hot press, vilket möjliggör snabb (< 6 h) Överkritisk extraktion och resultat i Aerogel av låg densitet (0.10 g/mL) och höga yta (200-800 m²g). Medan arbetet presenteras här fokuserar på användning av koppar salter och koppar nanopartiklar, kan metoden implementeras med hjälp av andra metallsalter och nanopartiklar. Ett protokoll för att testa trevägs katalytiska förmågan hos dessa Aerogel för automotive föroreningar riskreducerande presenteras också. Denna teknik använder specialbyggda utrustning, den Union katalytisk testbädd (UCAT), i vilken en simulerad avgasblandningen överförs över en aerogel provet vid en kontrollerad temperatur och flöde. Systemet kan mäta förmågan hos den katalytiska Aerogel, under båda oxiderande och minska villkor, för att konvertera CO, nej och oförbränt kolväten (HCs) till mindre skadliga arter (CO₂, H₂O och N₂). Exempel på katalytisk resultat presenteras för de Aerogel som beskrivs.

Introduction

Silica – och aluminiumoxid-baserade Aerogel har anmärkningsvärda egenskaper, inklusive låg densitet, hög porositet, höga yta, god termisk stabilitet och låg värmeledningsförmåga¹. Dessa egenskaper attraktivt aerogel material för en mängd applikationer¹^,². Ett program som utnyttjar den termiska stabilitet och höga yta av Aerogel är heterogen katalys; flera artiklar granska litteraturen i detta område²^,³^,⁴^,⁵. Det finns många metoder för tillverkning av aerogel-baserade katalysatorer, inklusive stiftelseurkunden eller entrapment av katalytisk arter inom ramen av en kiseldioxid eller aluminiumoxid aerogel⁵^,⁶^,⁷^, ⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Den nuvarande arbetet fokuserar på protokoll för beredning via snabba Överkritisk extraktion (RSCE) och katalytisk provning av aerogel material för automotive föroreningar riskreducerande och använder koppar-innehållande Aerogel som exempel.

Trevägskatalysatorer (TWCs) är allmänt används i utrustning för begränsning av föroreningar för bensin motorer¹². Moderna TWCs innehåller platina, palladium och rodium, platinum-gruppen metaller (platinametaller) som är sällsynta och därför dyrt och miljömässigt kostsam att erhålla. Katalysatormaterial baserat på mer lättillgängliga metaller skulle ha betydande ekonomiska och miljömässiga fördelar.

Aerogel kan framställas från våta geler med hjälp av olika metoder¹. Målet är att undvika pore kollaps som vätska tas bort från gelen. Anställd i detta protokoll är en snabb Överkritisk extraktion (RSCE) metod där utvinning sker från en gel som innesluten i en metall mögel i en programmerbar hydrauliska hot press¹³^,¹⁴^,¹⁵^, ¹⁶. Användning av denna RSCE process för tillverkning av kiseldioxid aerogel monoliter har tidigare visats i ett protokoll¹⁷, där relativt korta förberedelsetiden är associerad med denna strategi betonades. Superkritisk CO₂ extraktion är en vanligare metod, men tar längre tid och kräver större användning av lösningsmedel (inklusive CO₂) än RSCE. Andra grupper har nyligen publicerade protokoll för beredning av en mängd olika typer av Aerogel använder superkritisk CO₂ utvinning¹⁸^,¹⁹^,²⁰.

Här presenteras protokoll för att fabricera och katalytiskt testa en mängd olika typer av koppar-innehållande katalytiska Aerogel. Baserat på nr minskning och CO oxidation aktivitet ranking av kol-stödda oädel metall katalysatorer under förhållanden av intresse för fordonsindustrin föroreningar riskreducerande som tillhandahålls av Kapteijn et al. ²¹, koppar valdes som den katalytiska metallen för detta arbete. Fabrication metoder inkluderar a impregnering (IMP) av koppar salter i aluminiumoxid eller kiseldioxid våta geler¹¹, (b) använda copper(II) och aluminium salter som samtidig prekursorer (Co-P) när fabricera koppar-aluminiumoxid Aerogel⁶^,²², och (c) fångade koppar-innehållande nanopartiklar in en kiseldioxid aerogel matrisen under tillverkning¹⁰. I varje fall en RSCE metod används för borttagning av lösningsmedel från porerna i våt gel matris¹³^,¹⁴^,¹⁵.

Ett protokoll för bedömning av lämpligheten av dessa material som TWCs för automotive föroreningar riskreducerande, använder den Union katalytisk testbädd (UCAT)²³, presenteras också. Syftet med UCAT systemet, viktiga delar som visas schematiskt i figur 1, är att simulera kemisk, termisk, och flöde villkorar erfor i en typisk bensin motorn katalysator. UCAT funktioner genom att föra en simulerad avgasblandningen över en aerogel provet vid en kontrollerad temperatur och flöde klassar. Aerogel provet läses in i en 2,25-cm-diameter tubulär packade säng flöde cell (”test avsnitt”), som innehåller provet mellan två skärmar. Inlästa flöde cellen placeras i en ugn för att styra avgaserna och katalysator temperatur och prover av behandlade avgaser (dvs avgaser flödat igenom packade sängen) och obehandlade gas (dvs förbi packade sängen) undersöks på ett utbud av temperaturer upp till 700 ˚C. Koncentrationerna av tre viktiga föroreningar–CO, NO, och oförbrända kolväten (HCs)–mäts med en fem-gas analyzer efter behandlas av aerogel katalysatorn och, separat, i en obehandlad (”bypass”) flöde; från dessa data beräknas ”procent omvandlingen” för varje förorening. För den provning som beskrivs häri, ett kommersiellt tillgängliga avgas blandning, California Bureau of Automotive reparation (BAR) 97 låga utsläpp blandning var anställd. Fullständiga uppgifter av UCAT‘s konstruktion och funktion presenteras i Bruno o.a.²³

Figur 1. UCAT Test avsnittet och provtagningssystemen. Återges med tillstånd från 2016-01-0920 (Bruno o.a. ( ²³), copyright 2016 SAE International. Vidare distribution av detta material är inte tillåtet utan föregående skriftligt tillstånd från SAE. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

Säkerhetsöverväganden: Bära skyddsglasögon eller skyddsglasögon och laboratorium handskar på alla tider när utför förberedande arbete med kemiska lösningar och vid hantering av våt gel eller katalytisk aerogel material. Hantera propylenoxid, tetrametyl orthosilicate (TMOS), etanol, metanol, ammoniak, nanopartiklar och lösningar som innehåller någon av dessa inom ett dragskåp. Läs säkerhet Data Sheets (SDS) för alla kemikalier, inklusive nanopartiklar, före arbetar med dem. Bära en partiklar mask när…

Representative Results

Fotografiska bilder av den resulterande Aerogel presenteras i figur 2. Eftersom de våta gelerna bröts i bitar före lösningsmedel exchange, är de Al-Cu IMP och Si-Cu IMP Aerogel i små, oregelbundet formade monolitisk bitar. Det framgår av färgning av dessa prover som Aerogel innehåller koppar arter och att variationer i koppar artbildning och/eller ligand struktur förekommer inom material. Al-Cu IMP Aerogel (figur 2a) vi…

Discussion

Nyttan av metoden RSCE för tillverkning av katalytisk Aerogel och UCAT systemet för att demonstrera katalytiska förmåga har visats häri. Stora fördelar med dessa protokoll över andra metoder är hastigheten på RSCE aerogel fabrication och relativt billig inställning till katalytisk testning av UCAT.

Geler som ska extraheras kan förberedas via en mängd olika metoder, inklusive impregnering av metallsalter i en aluminiumoxid eller kiseldioxid våt gelmatris, införandet av metallsalte…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Utveckling av syntesmetoder för katalytisk Aerogel finansierades genom National Science Foundation (NSF) bidrag nr. DMR-1206631. Design och konstruktion av UCAT finansierades genom NSF bidrag nr. CBET-1228851. Ytterligare finansiering tillhandahölls av Union College fakultet forskningsfonden. Författarna vill också erkänna bidrag från Zachary Tobin, Aude Bechu, Ryan Bouck, Adam Forti och 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).