Summary
Her presenterer vi en generell protokoll for å forberede en rekke microhoneycomb monolitter (MHMs) i hvilke væske kan passere gjennom med en ekstremt lav trykkfall. MHMs fått skal brukes som filtre, katalysator støtter,-typen elektroder, sensorer og stillaser for biologisk materiale.
Abstract
Monolittisk Bikakestrukturer er attraktiv for tverrfaglig felt på grunn av deres høy styrke-til-vekt forhold. Spesielt forventes microhoneycomb monolitter (MHMs) med mikrometer skala kanaler som effektive plattformer for reaksjoner og separasjoner på grunn av deres store flater. Til nå, har MHMs utarbeidet av en enveis Frysetørring (UDF) metode fra svært begrenset prekursorer. Her, rapportere vi en protokoll som en rekke MHMs som består av ulike komponenter kan oppnås. Nylig fant vi den cellulose nanofibers funksjonen som tydelig struktur-regi agent mot dannelsen av MHMs gjennom UDF prosessen. Ved å blande den cellulose nanofibers med vann løselig stoffer som ikke gir MHMs, kan en rekke sammensatt MHMs tilberedes. Dette betydelig beriker kjemiske grunnlov MHMs mot allsidig søknadene.
Introduction
Som et helt nytt materiale, har microhoneycomb Monolitten (betegnet MHM) nylig tiltrukket stor oppmerksomhet fra tverrfaglig felt1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8. den MHM først utarbeidet av S. Mukaiya et al. gjennom en modifisert enveis Frysetørring (UDF) tilnærming som en Monolitten med en rekke rett microchannels med honeycomb-lignende tverrsnitt9. MHM besitter de generelle fordelene Bikakestrukturer, dvs, effektiv flislegging, høy styrke-til-vekt forhold og lav trykkfall. Videre, sammenlignet med den honeycomb Monolitten med større kanal, MHM har et mye større bestemt areal. UDF metoden innebærer enveis veksten av iskrystaller og samtidige fase separasjon på frysing. Etter fjerning av iskrystallene hentes en solid komponent formet av isen krystall. Morfologi dannet på fase separasjon, avhenger av den iboende naturen av forløperen (sol eller gel), og i de fleste tilfeller, lameller10, fiber11fishbone12 strukturer er sannsynlig å danne i stedet for MHMs. Som et resultat, dannelsen av MHMs har blitt rapportert bare i begrenset forløpere, og dette har betydelig hemmet mangfoldet av deres kjemiske egenskaper. Vi har nylig funnet at cellulose nanofibers har en sterk struktur-regi funksjon mot danner MHM strukturen gjennom UDF prosessen13. Ved blanding av cellulose nanofibers med andre vann-dispergerbare komponenter, er det mulig å forberede en rekke MHMs med forskjellige kjemiske egenskaper. Videre er deres ytre former og kanal størrelser fleksibelt og lett kontrollert13. Dermed skal MHMs brukes som filtre, katalysator støtter, -typen elektroder, sensorer og stillaser for biologisk materiale.
I dette papiret forklare vi først tilberedning av grunnleggende teknikken av MHMs fra vandig spredning av cellulose nanofibers gjennom UDF prosessen i detalj. Videre viser vi utarbeidelse av flere forskjellige typer sammensatte MHMs.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. utarbeidelse av 1 wt % 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO)-mediert oksidert Cellulose Nanofiber (TOCN) Sol
Merk: Sol er definert som en kolloidalt suspensjon av svært små faste partikler i en kontinuerlig flytende medium.
- Avbryte 66.7 g Nadelholz bleket Kraft fruktkjøtt (NBKP, som inneholder 12 g cellulose) 700 mL deionisert (DI) vann med en mekanisk agitator på 300 rpm for 20 min.
- Legge til 20 mL av vandig TEMPO løsning (inneholder 0.15 g av TEMPO) og 20 mL vandig NaBr løsning (som inneholder 1,5 g NaBr) sakte til over NBKP suspensjon14,15.
- Justere pH i ovennevnte suspensjon til cirka 10.5 (målt med en pH-meter) med sakte legger 3,0 M NaOH løsning.
- Sakte legge til ca 63.8 g NaClO vannoppløsning (med 6-14 wt % aktiv klor) med en pipette ovennevnte blanding å starte TEMPO-mediert oksidasjon.
- Mens NaClO, fortsette å legge NaOH løsningen for å holde pH i systemet innenfor området av 10.0 til ~ 10.5. Prosessen tar ca 2,5 t.
- Skyll den TEMPO-mediert oksidert cellulose fibre med DI vann 3 ganger (1200 mL DI vann hver gang) for å fjerne de gjenværende NaClO, NaOH og andre kjemikalier.
- Behandle lim med en kraftig mekanisk blender for å nedbryte oksidert cellulose fibrene i nanofibers. Utføre mekanisk behandling nøye flere ganger sammen med et tillegg av lik mengde vann. Til slutt, en 1 wt % TEMPO-mediert oksidert cellulose nanofiber (TOCN) sol oppnås. TOCNs har en diameter på 4 til ~ 6 nm og en lengde på 0,5 til ~ 2 μm.
- Lagre 1 wt % TOCN sol 4 ° C (cellulose nanofibers pleier å råtne på en omgivelsestemperatur).
2. forberedelse av TOCN-styren butadien gummi (SBR) blandet Sol
- Legge til 0.21 g SBR kolloid (48.5 wt %) i 10 g av 1 wt % TOCN sol (trinn 11,7.) i en 20 mL glass fartøyet.
- Agitere ovennevnte blanding for 3 min med en vortex mikser på strømnivået for 6 å oppnå en jevnere fordelt sol. Store ovenfor blanding sol 4 ° C før bruk.
3. forberedelse av TOCN-TiO2 blandet Sol
- Legge 0,1 g av TiO2 nanopartikler (med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 20 nm) i 10 g av 1 wt % TOCN sol i en 20 mL glass fartøyet.
- Agitere ovennevnte blanding med en homogenizer på 10 min å oppnå en jevnt blandet sol. utføre denne 10 min-prosessen midlertidig, siden en betydelig mengde varme genereres i prosessen og resulterer i økningen av temperatur, som kan svekke TOCNs. Lagre blanding sol 4 ° C før bruk.
4. forberedelse av TOCN-overflate oksidert karbonfiber (SOCF) blandet Sols
- Reflux 1,7 g karbon fiber (300 mesh, 5.5 til ~6.0 μm diameter og en lengde på ca 50 μm) i 150 mL konsentrert salpetersyre ved 60 ° C i 6 h å oppnå SOCF16. Legge til 0,01 g over SOCF i 10 g av 1 wt % TOCN sol innenfor en 20 mL glass fartøyet.
- Riste-mix ovennevnte blanding, og ultra-sonicate blandingen i 5 minutter for å oppnå en jevnt blandet sol. Store blanding sol 4 ° C før bruk.
5. forberedelse av Microhoneycomb Monolitten fra 1 wt % TOCN Sol (betegnet MHM-TOCN)
- Laste inn en polypropylen (PP) rør (med en diameter på 13 mm, en ytre diameter på 15 mm og en lengde på 150 mm) med paljetter og fyll 5 cm nederst på røret13.
- Laste inn en viss (hvor kontrolleres ikke hver gang, men det er vanligvis større enn 2,7 mL å sikre påfølgende klipping prosessen) 1 wt % TOCN sol i over PP røret som inneholder glassperler.
Merk: TOCN sol var direkte fylt inn i PP røret uten helle i glassperler for studier av avstand effekten som har vært involvert i enveis frysing prosessen. I dette tilfellet, var hvor TOCN sol 11 mL. - Fjern forsiktig boblene som kan ha blitt generert under sol innlasting. Holde PP røret som inneholder TOCN sol 4 ° C over natten før bruk.
- Feste ovenfor PP tuben inneholder TOCN sol dipping maskinen som brukes for enveis frysing. Angi de relevante parameterne og starte dipping PP røret i en thermo kannen flytende nitrogen (-196 ° C) med en konstant hastighet på 50 cm h-1 (figur 1).
- Skjær delen PP rør med en SAG, og sprekk den frosne TOCN sol del i flere deler. Fryse tørr disse delene med en fryse-tørking maskin på-10 ° C for 1 dag, deretter på 5 ° C for 1 dag, og til slutt ved 0 ° C i 1 dag. MHM-TOCN ble oppnådd som hvit-farget monolitter (figur 1).
6. forberedelse av Microhoneycomb Monolitten fra den TOCN-SBR blandet Sol (betegnet MHM-TOCN/SBR) og TOCN-TiO2 blandet Sol (betegnet MHM-TOCN/TiO2 )
- Last polypropylen (PP) rør (med en diameter på 13 mm, en ytre diameter på 15 mm og en lengde på 150 mm) med paljetter, fylle 5 cm nederst i rørene.
Merk: Glassperler brukes til å dekke området hvor ustø is krystall veksten skjer, for å oppnå jevn morfologi av resulterende prøven. Både størrelsen og overflate eiendom av glassperler påvirker ikke morfologi av resulterende prøven. - Laste viss (hvor kontrolleres ikke hver gang, men det er vanligvis større enn 2,7 mL å sikre påfølgende klipping prosessen) av den TOCN-SBR blandet sol eller TOCN-TiO2 blandet sol i PP rør som inneholder glassperler.
- Fjern forsiktig boblene som kan ha blitt generert under sol innlasting. Holde PP rør som inneholder over blandet sol 4 ° C over natten før bruk.
- Fest PP rør som inneholder over blandet sols dipping maskinen som brukes for enveis frysing. Angi de relevante parameterne og starte dipping PP røret i en tank med flytende nitrogen (-196 ° C) med en konstant hastighet på 20 cm h-1.
- Skjær delen PP rør med en SAG, og sprekk den frosne TOCN-SBR blandet sol del i flere deler.
- Fryse tørr disse delene med en fryse-tørking maskin på-10 ° C for 1 dag, deretter på 5 ° C for 1 dag, og til slutt ved 0 ° C i 1 dag. MHM-TOCN/SBR og MHM-TOCN/TiO2 ble innhentet som hvit bautasteiner.
7. forberedelse av Microhoneycomb Monolitten fra TOCN-SOCF blandet Sol (betegnet MHM-TOCN/SOCF)
- Laste inn en polypropylen (PP) rør med (en indre diameter 13 mm) og en ytre diameter på 15 mm, og en lengde på 150 mm med paljetter, fylle 5 cm nederst på røret.
- Laste viss (hvor kontrolleres ikke hver gang, men det er vanligvis større enn 2,7 mL å sikre påfølgende klipping prosessen) av TOCN-SOCF blandet sol inn over PP røret som inneholder glassperler.
- Fjern forsiktig boblene som kan ha blitt generert under sol innlasting. Holde PP røret som inneholder over blandet sol 4 ° C over natten før bruk.
- Feste PP tuben inneholder over blandet sol dipping maskinen som brukes for enveis frysing. Angi de relevante parameterne og starte dipping PP røret i en tank med flytende nitrogen (-196 ° C) med en konstant hastighet på 20 cm h-1.
- Skjær delen PP rør med en SAG, og sprekk delen for frosne TOCN-SOCF-sol i flere deler. Fryse tørr disse delene med en fryse-tørking maskin på-10 ° C for 1 dag, deretter på 5 ° C for 1 dag, og til slutt ved 0 ° C i 1 dag. MHM-TOCN/SOCF ble oppnådd som en hvit-grå Monolitten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Morphologies for forskjellige posisjoner på MHM-TOCN retning enveis frysing er undersøkt og vist i figur 2. Med stillingen blir ytterligere fra den nederste delen av MHM-TOCN, en gradvis morfologi endring ble avslørt (figur 2, diskusjon). Ved å introdusere en andre komponenten i TOCN sol å danne en homogen blanding sol, er det mulig å tilberede ulike typer sammensatte MHMs. For eksempel er sammensatte MHMs inkludert SBR (figur 3a), TiO2 (figur 3b) eller med karbonfiber (Figur 4) forberedt.
Figur 1: skjematisk om utarbeidelse av MHM-TOCN av enveis fryse-tørking tilnærming. Enveis frysing utføres med en dipping maskin vises til venstre. Etter enveis frysing, ble Frysetørring gjennomført med en freeze-drier å gi MHM-TOCN. Dette tallet er endret fra Pan, Z.-Z. et al. 13. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: morfologiske characterizations av ulike stillinger i MHM-TOCN. (en) skjematisk før merking ulike stillinger i MHM-TOCN. (b-h) SEM bilder av tverrsnitt av MHM-TOCN med en avstand til nederst (tips) MHM-TOCN av 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 cm, henholdsvis. (jeg) SEM bilde av langsgående delen av MHM-TOCN. Merk at i en typisk UDF eksperimentet, glassperler er alltid brukes å fylle 5 cm nederst på PP røret før du legger sol for enveis frysing, slik at pseudo jevn voksende av iskrystaller kan oppnås. Men her, fylt TOCN sol direkte inn i PP røret uten helle i glassperler først å studere avstand effekter som har involvert i enveis frysing prosessen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: morfologiske karakteristikk på to MHM kompositter. (og b) vise kryss seksjon SEM bilder av (a) MHM-TOCN/SBR og (b) MHM-TOCN/TiO2, henholdsvis. Øvre høyre insets i (a) og (b) er optisk bilder av MHM-TOCN/SBR og MHM-TOCN/TiO2, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: SEM bilde av MHM-TOCN/SOCF. Bildet viser romanen strukturen med SOCF forbinder de nærliggende microhoneycomb veggene og senket i bildet er et optisk bilde av MHM-TOCN/SOCF.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det viktigste trinnet for å oppnå MHMs er enveis frysing skritt, under vann stivner å danne kolonne iskrystaller og presse dispersoid til side til rammen. Enveis frysing prosessen innebærer i utgangspunktet termisk overføring mellom forløper sol og kjølevæsken. I våre oppsett, ble en dipping maskin brukt til å sette inn en PP rør som inneholder en forløper sol i kjølevæsken (flytende nitrogen) med en konstant hastighet. Siden flytende nitrogen holder fordamper hele tiden, genereres en fluctuant temperaturgradient over flytende nitrogen-nivået. Før du berører nitrogen væskenivået, har PP røret uunngåelig opplevd varmen utveksling med kald luft over nitrogen væskenivå, som har forårsaket temperatur svingninger i den nederste delen av PP røret. Videre ved å berøre nitrogen væskenivået, temperaturen på den nederste delen av PP rør umiddelbart falt til en temperatur tilnærmet de flytende nitrogen (-196 ° C), og den tilstøtende delen også raskt avkjølt til temperaturen i flytende nitrogen . Det var ikke før en viss posisjon at psudo-stødig varmen overføre som er knyttet til det enveis frysing startet finner stedet. Etter frysing, ble PP røret sprakk av inndelinger for Frysetørring. Delene ble umiddelbart overført til en kald godt som isen pleier å tine, noe som ville føre morfologi forverring av resulterende prøvene. I tillegg ble fryse-tørking prosessen forsiktig gjennomført ved en temperatur som er under 0 ° C å unngå den tiner isen. Vi observerte ulike posisjoner i en MHM-TOCN fra over bunnen, som er avbildet i figur 2a. Stillinger (b-h) som er 1-7 cm fra bunnen ble observert med SEM, som er vist i figur 2b-h. Plasseringen (b) som er 1 cm over fra bunnen har en orientert morfologi mot midten av bulk (figur 2b). Dette er lik som Monolitten forberedt fra spranget frysepunktet13, som innebærer dominerende varmen utveksling langs basale flyet. Fra posisjonen som er 2 cm fra bunnen, en godt justert honeycomb-lignende morfologi ble innhentet (figur 2 c-h), viser enveis veksten av iskrystaller lengde retning PP røret. Det bør nevnes at størrelsen på microhoneycomb opplevde en tydelig økning fra posisjon (c) til (d), og holdt jevn etterpå. Dette er tilskrevet avstand effekten, som i slike en lavere plassering som posisjon (c), en høyere temperaturgradient og en høyere økende hastighet is krystaller17 var involvert, og dermed fører til mindre iskrystaller. Men fører på høyere stillinger som plassering (d), avstand effekten ikke lenger brukes, og temperaturgradient ble relativt stabilt, dermed til en jevn kanal størrelse 10 μm. Kanal størrelsen på MHM-TOCN ville endre i samsvar med PP røret dipping hastighet, men microhoneycomb morfologi beholdt13. Kanal-størrelse kunne være innstilt innenfor en rekkevidde på 10 til ~ 200 μm13, og enten et større eller mindre kanal størrelse kan bare oppnås med spesielle design. Figur 2i gir morfologi av MHM-TOCN langs langsgående delen viser én retning gjennomtrengende natur MHM-TOCN. Dette skiller seg vesentlig fra de 3-dimensjonale porøse strukturene som ble innhentet fra kjøleskap-fryser18 eller flytende nitrogen slukke19.
Den største fordelen av vår metodikk er dens allsidighet i å kontrollere sammensetningen av den resulterende Monolitten. Vi fant at TOCNs har en sterk tendens til å danne MHM strukturen via UDF-prosessen. Bare ved å forberede en rekke blanding sol, kan en rekke sammensatt MHMs oppnås. Vi har vist mange eksempler i vår forrige rapport13. Et typisk eksempel er kombinasjonen med en vannløselig polymer presenterer vi en annen eksempel-SBR her, som vist i figur 3a. Disse typer sammensatte MHMs har en glatt microhoneycomb vegg, viser en homogen fordeling av de inkluderte komponentene. Videre, vi har bekreftet at MHM-TOCN kan brukes som en støttespiller for nanopartikler, som vist i figur 3b. En blanding forløper sol TOCNs og TiO2 nanopartikler gitt en velordnet MHM med TiO2 nanopartikler følge overflaten av microhomeycomb veggene. Dette kan fremme utbygget for å forberede funksjonelle MHMs inkludert en rekke nanopartikler.
Endelig, vår metode kan tenkes fremme utbygget for romanen konstruksjoner med underlaget inne microchannels. Vi fant at ved å introdusere en overflate oksidert karbonfiber (SOCF) i forløperen sol, en sammensatt MHM med SOCFs bro nærliggende microhoneycomb veggene ble til slutt innhentet gjennom UDF prosessen (Figur 4). Selv om ytterligere økning i mengden SOCF forstyrrer psudosteady veksten av iskrystaller som fører til MHM, har presentere resultatet vist muligheten for denne metodikken å utforske romanen strukturer. Når en tettere struktur med visse seighet er oppnådd, kan en rekke programmer som energilagring tenkes for disse materialene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National grunnleggende forskning Program i Kina (2014CB932400), National Natural Science Foundation i Kina (nr. 51525204 og U1607206) og Shenzhen grunnleggende forskningsprosjekt (nr. JCYJ20150529164918735). Også, vi ønsker å takke Daicel Allnex Ltd og JSR co for vennlig leverer polyuretan og styren butadien gummi, henholdsvis.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nadelholz Bleached Kraft Pulp | Seioko PMC company | CSF=600 | |
| TEMPO | Macklin Inc. | T819129 | 98% |
| NaBr | Macklin Inc. | S818075 | AR, 99% |
| NaClO | Aladin Inc. | S101636 | 6-14 wt% active chlorine basis |
| SBR colloid | JSR corp. | TRD102A | 48.5 wt% |
| TiO2 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | A63725402 | crystalline anatase phase |
| carbon fiber | Shenzhen Xian’gu Ltd. | XGCP-300 | |
| Nitric acid | Huada Reagent Ltd. | 7697-37-2 | 65-68 wt% |
| Mixer | Scientific Industries, Inc | G-560 | the mixer |
| Mechanical blender | Waring Lab Ltd. | MX1000XTX | For disintegrating cellulose bundles into nanofibers. |
| Homogenizer | Scientz Ltd. | HXF-DY | For dispersing TiO2 nanoparticles |
| pH meter | Horiba Ltd. | F-74BW |
References
- Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Yoshida, T., Taniguchi, K., Tamon, H. Morphology of resorcinol-formaldehyde gels obtained through ice-templating. Carbon. 43 (7), 1563-1565 (2005).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
- Nishihara, H., et al. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 16 (31), 3231-3236 (2006).
- Mukai, S. R., Mitani, K., Murata, S., Nishihara, H., Tamon, H. Assembling of nanoparticles using ice crystals. Mater. Chem. Phys. 123 (2), 347-350 (2010).
- Cui, K., et al. Self-assembled microhoneycomb network of single-walled carbon nanotubes for solar cells. J. Phy. Chem. Lett. 4 (15), 2571-2576 (2013).
- Xu, T., Wang, C. -A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3 ceramics prepared by freeze-casting process. J. Eur. Ceram. Soc. 36 (10), 2647-2652 (2016).
- Yoshida, S., et al. CO2 Separation in a flow system by silica microhoneycombs loaded with an ionic liquid prepared by the ice-templating method. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (10), 2834-2839 (2017).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals. Chem. Commun. (7), 874-875 (2004).
- Gutie´rrez, M. C., et al. Macroporous 3D Architectures of Self-Assembled MWCNT Surface Decorated with Pt Nanoparticles as Anodes for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Phys. Chem. C. 111, 5557-5560 (2007).
- Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Morphology maps of ice-templated silica gels derived from silica hydrogels and hydrosols. Micropor. Mesopor. Mat. 116 (1-3), 166-170 (2008).
- Okaji, R., Taki, K., Nagamine, S., Ohshima, M. Preparation of porous honeycomb monolith from UV-curable monomer/dioxane solution via unidirectional freezing and UV irradiation. J. Appl. Polym. Sci. 125 (4), 2874-2881 (2012).
- Pan, Z. -Z., et al. Cellulose nanofiber as a distinct structure-directing agent for xylem-like microhoneycomb monoliths by unidirectional freeze-drying. ACS Nano. 10 (12), 10689-10697 (2016).
- Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J. -L., Vigon, M., Isogai, A. Homogeneous Suspensions of Individualized Microfibrils from TEMPO-Catalyzed Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 7 (6), 1687-1691 (2006).
- Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
- Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
- Nishihara, H. Study on the simultaneous control of the nanostructure and morphology of the porous materials prepared via the ice-templating method [D]. , Kyoto University. Kyoto. (in Japanese) (2005).
- Zhang, R., et al. Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying. Nano Research. 7 (10), 1477-1487 (2014).
- Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975 (2013).
