Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Propriedades de superfície de carbono de Nanoporous sintetizado e matrizes de sílica

Published: March 27, 2019 doi: 10.3791/58395
Automatic Translation
1, 1,2, 3, 3
1Faculty of Physics, Adam Mickiewicz University, 2NanoBioMedical Centre, 3Department of Physicochemistry of Solid Surface, Faculty of Chemistry, Maria Curie-Skłodowska University

Summary

Aqui nós relatamos a síntese e caracterização de carbono nanoporous ordenada (com um tamanho de poro 4.6 nm) e SBA-15 (com um tamanho de poro 5.3 nm). O trabalho descreve a superfície e propriedades texturais de peneiras moleculares nanoporous, sua molhabilidade e o comportamento de derretimento de D2O confinado nos materiais.

Abstract

Neste trabalho, relatamos a síntese e caracterização de ordenou nanoporous material de carbono (também chamado de mesoporos ordenada material de carbono [Mac]) com um tamanho de poro nm 4,6 e matriz porosa de sílica ordenada, SBA-15, com um tamanho de poro 5.3 nm. Este trabalho descreve as propriedades da superfície de peneiras moleculares nanoporous, sua molhabilidade, e o comportamento de derretimento de D2O confinado nos materiais porosos diferentemente ordenados com tamanhos de poros semelhantes. Para este efeito, Mac e SBA-15 com altamente ordenada nanoporous estruturas são sintetizados através da impregnação da matriz de sílica aplicando um precursor de carbono e pelo método sol-gel, respectivamente. A estrutura porosa de investigados sistemas caracteriza-se por uma análise de adsorção-dessorção N2 em 77 K. Para determinar o caráter eletroquímico de superfície de materiais sintetizados, são realizadas medições de titulação potenciométrica; os resultados obtidos para o método aberto de coordenação mostra uma mudança dePzcE de pH significativa para os valores mais elevados de pH, em relação ao SBA-15. Isto sugere que Mac investigada tem superfície propriedades relacionadas a grupos de funcionais à base de oxigénio. Para descrever as propriedades da superfície dos materiais, os ângulos de contato de líquidos penetrando as camas porosas estudadas também são determinados. O método da ascensão capilar confirmou a aumentada molhabilidade das paredes sílica em relação as paredes de carbono e uma influência da rugosidade do poro sobre as interações de líquido/parede, que é muito mais pronunciada para sílica do que para mesopores de carbono. Também estudamos o comportamento de derretimento de D2O confinado no Mac e SBA-15 aplicando o método dielétrico. Os resultados mostram que a depressão da temperatura de fusão de D2O nos poros da OMC é cerca de 15 K mais elevados em relação a depressão da temperatura de derretimento no SBA-15 os poros com um tamanho comparável de nm 5. Isso é causado pela influência de interações adsorbate/adsorvente de matrizes estudadas.

Introduction

Em 1992, ordenada nanoporous sílica materiais foram obtidos pela primeira vez, usando um modelo orgânico; Desde então, um grande número de publicações relacionadas a diferentes aspectos destas estruturas, métodos sintéticos, a investigação de suas propriedades, suas modificações, e diferentes aplicações têm aparecido na literatura1,2 ,3. O interesse no SBA-15 nanoporous sílica matriz4 é devido a sua qualidade única: uma alta área de superfície, larga os poros com uma distribuição de tamanho de poro uniforme e boas propriedades químicas e mecânicas. Materiais de sílica nanoporous com poros cilíndricos, tais como SBA-155, frequentemente são utilizados como uma matriz porosa para catalisadores como eles são eficientes catalisadores em reações orgânicas6,7. O material pode ser sintetizado com uma grande variedade de métodos que possam influenciar suas características8,9,10. Portanto, é fundamental otimizar esses métodos para potenciais aplicações em muitos campos: dispositivos eletroquímicos, nanotecnologia, biologia e medicina, sistemas de entrega, de drogas ou em adesão e tribologia. No presente estudo, apresentam-se dois tipos diferentes de estruturas nanoporous, nomeadamente sílica e carbono matrizes porosas. Para comparar suas propriedades, a matriz de SBA-15 é sintetizada usando o método sol-gel, e o material de carbono nanoporous ordenada é preparado pela impregnação da matriz resultante de sílica com um precursor de carbono.

Materiais de carbono poroso são importantes em muitos aparelhos devido à sua elevada área superficial e suas propriedades físico-químicas únicas e bem definidos,6,11,12. Preparação típica resulta em materiais com porosidade distribuída aleatoriamente e uma estrutura desordenada; Há também uma possibilidade limitada para que a alteração dos parâmetros gerais do pore, e assim, estruturas com distribuições de tamanho de poros relativamente amplo são obtidas13. Esta possibilidade é ampliada para materiais de carbono nanoporous com áreas de superfície elevadas e ordenou sistemas de nanoporos. Mais previram a geometria e maior controle dos processos físico-químicos dentro do espaço de pore são importantes em muitas aplicações: como catalisadores, sistemas de mídia de separação, avançados materiais eletrônicos e nanoreactors em muitos campos científicos14 , 15.

Para obter as réplicas de carbono poroso, silicatos ordenados podem atuar como uma matriz sólida ao qual precursores de carbono são introduzidos diretamente. O método pode ser dividido em várias etapas: a seleção do material de sílica ordenada; a deposição de um precursor de carbono em uma matriz de sílica; carbonização; em seguida, a remoção da matriz de sílica. Muitos tipos diferentes de materiais carbonáceos podem ser obtidos por esse método, mas nem todos os materiais não porosas têm uma estrutura ordenada. Um elemento importante do processo é a seleção de uma matriz adequada cujos nanoporos devem formar uma estrutura tridimensional estável,16.

Neste trabalho, a influência do tipo de poros paredes sobre as propriedades da superfície de matrizes nanoporous sintetizado é investigada. As propriedades da superfície do material do método aberto de coordenação são refletidas pelas propriedades de superfície de sílica analógica (SBA-15) da OMC. As propriedades texturais e estruturais de ambos os tipos de materiais (Mac e SBA-15) caracterizam-se por energia dispersiva (de análise de raios-x, microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e baixa temperatura N2 medidas de adsorção/dessorção (a 77 K) EDX).

Medição de adsorção/dessorção do gás de baixa temperatura é uma das técnicas mais importantes durante a caracterização de materiais porosos. Gás nitrogênio é usado como um adsorbate devido ao seu elevado grau de pureza e a possibilidade de criar uma forte interação com adsorventes sólidos. Importantes vantagens desta técnica são a user-friendly equipamento comercial e relativamente fácil procedimentos de processamento de dados. A determinação de isotermas de adsorção/dessorção de nitrogênio é baseada no acúmulo das moléculas na superfície do sólido adsorvente a 77 K em uma ampla gama de pressão (P/P0) adsorbate. O procedimento de Barrett, Joyner e Halenda (BJH) para calcular a distribuição de tamanho de poro de isotermas de adsorção ou dessorção experimentais é aplicado. Os pressupostos mais importantes do método BJH incluem uma superfície plana e uma distribuição uniforme do adsorbate na superfície investigada. No entanto, esta teoria é baseada na equação de Kelvin e continua a ser a forma mais amplamente utilizada para o cálculo da distribuição de tamanho de poro na faixa de mesoporos.

Para avaliar o caráter eletroquímico das amostras, é aplicado um método de titulação potenciométrica. A química de superfície do material varia de acordo com a carga superficial, relacionada com a presença de heteroátomos ou grupos funcionais na superfície. Propriedades de superfície também são investigadas por análise de ângulo de contato. A molhabilidade dentro dos poros fornece informações sobre as interações adsorbate-adsorvente. A influência da rugosidade da parede sobre a temperatura de fusão da água confinada em ambas as amostras é estudada com a técnica de espectroscopia (DRS) de relaxação dielétrica. Medições da constante dieléctrica permitem a investigação de fenômenos de fusão como a polarização do líquido e fases sólidas são diferentes uns dos outros. Uma mudança na inclinação da dependência da temperatura da capacitância mostra que derretimento ocorre no sistema.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. preparação dos materiais do método aberto de coordenação

  1. Síntese de uma matriz de sílica como precursor do método aberto de coordenação
    1. Prepare-se 360 mL de 1,6 M de HCl adicionando 50 mL de HCl (36-38%) em um balão de fundo redondo de 500 mL e, em seguida, adicionando 310 mL de água ultrapura (resistividade de MΩ·cm 18.2).
    2. Para isso, adicionar 10 g de PE 10500 polímero (6.500 g/mol).
    3. Coloque o frasco em um banho ultra-sônico. Aquecer a solução a 35 ° C e agite-o até o polímero sólido é dissolvido completamente, fazendo uma mistura homogénea.
    4. Adicionar 10 g de 1, 3,5-trimetilbenzeno para o frasco e agitar o conteúdo (a uma taxa de agitação de 220 rpm), mantendo-a 35 ° C em banho-maria.
    5. Após agitação por 30 min, adicione 34g de orthosilicate tetraetila (TEOS) no balão. Adicione o TEOS lentamente e gota a gota, com agitação constante. Certifique-se de que leva 10 min para adicionar 34g de TEOS.
    6. Agite a mistura de solução novamente para 20 h na mesma temperatura (35 ° C).
    7. Transferir o conteúdo do frasco para um cartucho de politetrafluoroetileno e colocá-lo em uma autoclave. Deixe a solução por 24 h a 90 ° C.
    8. Filtrar o precipitado resultante, usando um funil de Büchner e lave-o com água destilada, usando pelo menos 1 L.
    9. Secar o sólido Obtido em temperatura ambiente e aplicar um tratamento térmico para a amostra a 500 ° C, usando um forno de mufla em uma atmosfera de ar para 6 h.
  2. Impregnação da matriz resultante de sílica, usando um precursor de carbono
    1. Preparar soluções de impregnação (IS1 e IS2) com proporções adequadas de água, ácido sulfúrico de 3M (VI) e açúcar (glicose), onde a glicose desempenha o papel de precursor de carbono e ácido sulfúrico atua como catalisador.
      Cuidado: O ácido sulfúrico é muito tóxico, causa queimaduras graves e lesões oculares.
      1. Prepare IS1. Para cada grama de sílica, misture 5 g de água, 0,14 g de ácido sulfúrico de 3M (VI) e 1,25 g de açúcar.
      2. Prepare IS2. Para cada grama de sílica, misture 5 g de água, 0,08 g de ácido sulfúrico de 3M (VI) e 0,75 g de açúcar.
    2. Coloque o material de sílica (1g) e a solução preparada IS1 do precursor do carbono e o catalisador em um balão de 500 mL. Aqueça a mistura em um secador de vácuo a 100 ° C, durante 6 h.
      Nota: Nesta etapa, use somente IS1. IS2 deve ser aplicado na próxima etapa.
    3. Adicione o IS2 à mistura no vácuo secador (para a solução com o precursor de carbono parcialmente carbonizado). Aqueça a mistura novamente na secadora vácuo a 160 ° C, durante 12 h.
  3. Têmpera/carbonização
    1. Transferi o composto obtido para um almofariz para a fragmentação das partículas maiores e uma homogeneização do material.
    2. Coloque o produto obtido para a fornalha de fluxo e aquecê-lo a 700 ° C (a uma taxa de aquecimento de 2,5 ° C/min) e calor para 6 h a esta temperatura. Aqueça o material em uma atmosfera de nitrogênio.
    3. Deixe a solução esfriar antes de abrir o forno.
  4. Remoção da matriz de sílica por gravura
    1. Prepare 100 mL de solução (ES) de gravura. Misture 50 mL de álcool etílico a 95% e 50 mL de água. Adicionar 7 g de hidróxido de potássio e agitar até que esteja dissolvido.
    2. Todo o material carbonizado (pelo menos 1 g) Obtido em um balão de fundo redondo de 250 mL e adicionar 100 mL de ES.
    3. Fornecemos o sistema com um condensador de refluxo e agitador magnético e calor para ferver, agitando constantemente. Ferva a mistura por 1h.
    4. Transferir o material obtido para o funil de Büchner, lavá-lo pelo menos 4 L de água destilada e seque-o.

2. preparação da matriz de sílica SBA-15

  1. Sintetiza uma matriz de sílica.
    1. Prepare-se 150 mL de HCl de 1,6 M.
    2. Dissolva 4 g de polímero PE 6400 (70EO EO13PO13) em 150 mL de solução de ácido em um balão de fundo redondo.
    3. Coloque o frasco em um banho ultra-sônico. Aquecer a solução a 40 ° C e agite-o para que o polímero pode dissolver-se (pelo menos por 30 min).
    4. Lentamente Adicione 8,5 g de TEOS para o balão, gota a gota, com agitação constante. Agite a mistura de solução por 24 h na mesma temperatura (40 ° C).
    5. Transferi o conteúdo do frasco para um cartucho de politetrafluoretileno. Deixe a solução por 24 h no forno a 120 ° C.
    6. Filtrar o precipitado resultante, usando um funil de Büchner e lave-o com água destilada (pelo menos 1L).
    7. Seca o sólido Obtido em temperatura ambiente e calcina para 6 h a 600 ° C, usando um forno de mufla em uma atmosfera de ar.

3. métodos de caracterização

  1. Medições de adsorção/dessorção de nitrogênio de baixa temperatura
    1. Use um analisador automático de sorção para obter N2 isotérmicas de adsorção/dessorção em 77 K.
    2. Use um tubo de vidro adequado para medições de sorção de nitrogênio. Antes de adicionar a amostra porosa para o tubo de vidro, limpe o tubo em um aparelho de ultra-sons e enxaguá-lo primeiro com água destilada e, na próxima, com o etanol anidro.
    3. Aqueça o tubo de vidro a 150 ° C por 3 h e encher o tubo com nitrogênio comprimido. Pese o tubo de vidro vazio sob as condições de nitrogênio antes da medição para minimizar o erro de peso.
    4. Coloque a amostra no tubo de vidro e pesar a massa total (massa da amostra com o tubo de vidro).
    5. Antes as medições, desgaseifica a amostra. Coloca o tubo de vidro com a amostra no porto de desgaseificação do analisador sorção. Aplicam-se as seguintes condições de processo: uma pressão de pelo menos 0,01 mmHg, temperatura de 423 K e uma duração de 24 h. No porto de desgaseificação, conectar-se a amostra para o vácuo e aquecê-lo para a temperatura ajustada (423 K). Após a desgaseificação, encher a amostra com nitrogênio e transferi-lo para o porto de análise.
  2. Microscopia eletrônica de transmissão
    1. Usar o microscópio TEM com a 120 kV (para SBA-15) e 200 kV (para o material do método aberto de coordenação) tensões de aceleração para coletar as imagens TEM de boa qualidade.
    2. Para a preparação de um filme de monodisperso da amostra, disperse a amostra (1 mg) em etanol (1 mL). Execute o procedimento de dispersão em um tubo de microcentrifugadora, colocando-o em um banho ultra-sônico por 3 min.
    3. Coloque duas gotas de dispersão em uma grade TEM cobre utilizando uma micropipeta. A grade TEM de transferência para o microscópio TEM e começar a imagem TEM.
  3. Espectroscopia de raios-x de energia dispersiva
    1. Use um microscópio eletrônico, equipado com um detector de raios-x para adquirir um espectro de raio-x de dispersão de energia das amostras.
    2. Aplicar uma tensão de aceleração de 15 kV para colher o espectro. Selecione o silício como elemento de otimização para SBA-15 e o carbono para o exemplo do método aberto de coordenação.
  4. Medição de titulação potenciométrica
    1. Use uma bureta automática para realizar o experimento de titulação potenciométrica. Adicione o titulante em porções pequenas e controladas (de acordo com a titulação software e procedimento). Fornece o menor incremento, pelo menos 1 μL, por um meio automático de dosagem.
    2. Disperse a 0,1 g de amostra em 30 mL de uma solução de eletrólito (solução de água de 0.1 M de NaCl). Use o agitador magnético e condições isotérmicas (293 ± 0,1 K) durante o procedimento de dispersão.
    3. Adicione 1 a 2 mL de titulante (solução de NaOH 0,1 M) para a suspensão.
      Nota: Realize a adição em pequenas alíquotas (cada ser cerca de 0,05 mL). Bureta automática o procedimento deve fornecer pelo menos uma dúzia de pontos experimentais na faixa de pH de 1 a 14.
    4. Calcule a densidade da superfície da carga Q,s, usando a seguinte fórmula.
      Equation 1(1)
      Aqui,
      Δn = a mudança no equilíbrio /OH H+– reduzido pela massa da amostra;
      Saposta = área de superfície Brunauer-Emmett-Teller (aposta) de estado sólido poroso;
      F = o número de Faraday.
  5. Método da ascensão capilar para medições de molhabilidade
    1. Para determinar o ângulo de contato dentro dos poros das amostras estudadas, use o método de ascensão capilar.
      Nota: Este método baseia-se na medição da ascensão em massa de líquido, que está penetrando a cama porosa, como a função do tempo. A suposição principal deste método é baseado no fato de que o líquido penetrante está avançando na coluna porosa e que essa coluna consiste em intergranular capilares com um determinado raio médio. Assim, cada relação derivada para único capilar é válida para a camada do pó porosa. Em um único capilar vertical, o líquido molhante flutua contra as forças gravitacionais como resultado da diferença de pressão entre o líquido e o vapor nos poros (pressão capilar). Neste significado, a penetração do líquido no leito poroso permite a determinação do ângulo de contacto dinâmico avanço dentro dos poros.
    2. Aplica equação17,18, expressado da seguinte forma do Washburn modificados.
      Equation 2(2)
      Aqui,
      m = massa do líquido medido;
      C = parâmetro geométrico dependente da distribuição, forma e tamanho dos poros;
      Ρ = densidade;
      Γl= a tensão de superfície;
      Η = viscosidade do líquido penetrante;
      Θ = ângulo de contato;
      t = tempo.
    3. Usando a equação (2), estime os valores dos ângulos de contato de avanço dentro dos poros estudados.
    4. Prepare o tensiómetro de força. Para pós, usar um tubo de vidro com um diâmetro de 3 mm e uma queima de cerâmica; para o líquido, use um vaso com um diâmetro de 22 mm e um máximo de volume de 10 mL.
    5. Medida 0,017 g da amostra.
    6. Inicie o programa de computador conectado para o tensiómetro. Coloque um recipiente com o líquido em um palco motorizado e suspender o tubo de vidro com a amostra em uma balança eletrônica.
    7. Acione o motor e começar a aproximar-se o líquido no recipiente com a amostra a uma baixa taxa constante de 10 mm/min; Defina a profundidade de imersão do tubo de amostra para o líquido igual a 1 mm.
    8. A partir deste momento, a dependência m2 = f(t) registra no programa de computador.
    9. Parar o experimento quando a dependência m2 = f(t) começa a mostrar o planalto característico.
    10. Verificar exatidão, repetindo este procedimento 3 x - 5x.
  6. Espectroscopia dieléctrica relaxamento
    1. Para descrever o comportamento de derretimento de águas confinadas dentro as matrizes estudadas porosas, realizar as medições de temperatura de capacitância elétrica C da amostra presente em um capacitor paralelo chapa feito de aço inoxidável19, 20 , 21. para medir a capacitância C como a função da temperatura e da frequência do campo elétrico aplicado cíclica, usar um analisador de impedância.
      Nota: A permissividade elétrica complexa é definida como * ε = ε' + iε ', onde ε' = C/C0 é o real e ε ' = tgδ·ε' é a parte imaginária da permissividade, onde C0 é a capacitância do empty capacitor e tgδ são as perdas dielétricas.
    2. Colocar a amostra medida dentro do capacitor de placa.
    3. Selecione uma faixa de frequência de 100 Hz a 1 MHz e uma temperatura de 140 K a 305 K. controle da taxa de temperatura mudar com o controlador de temperatura; Defina a taxa de temperatura como igual a 0,8 K/min durante o resfriamento e 0,6 K/min durante o processo de aquecimento.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Para caracterizar a estrutura porosa das amostras investigadas de Mac e SBA-15, N2 adsorção-dessorção isotermas foram gravadas no 77 K. As experimental N2 gás adsorção-dessorção isotérmicas caracterizando os sistemas investigados, bem como as distribuições de tamanho de poro (PSD) obtidas a partir dos dados de adsorção e dessorção, são apresentadas na figura 1A-D. A posição dos pontos de inflexão sobre as isotermas de sorção (figura 1A, C) indica a pressão em que inicia o processo de enchimento de mesopore. Esta informação é necessária para o cálculo do tamanho médio dos poros e o PSD (figura 1B, D), de acordo com a equação de Kelvin.

Figura 2A -C apresenta as imagens TEM do Mac. Figura 2D E apresenta as imagens de temperatura da amostra SBA-15. As micrografias de temperatura obtidas foram utilizadas para avaliar a qualidade dos materiais sintetizados e confirmando a estrutura hexagonal bidimensional. Uma interpretação das imagens TEM permite uma estimativa dos tamanhos dos poros e uma comparação dos valores com os dados obtidos de medições de sorção (Figura 1).

A Figura 3 mostra a distribuição de densidade de carga de superfície para o material de carbono e sílica. As propriedades de superfícies e interfaces de suportes e matrizes sólidas tem um impacto crucial sobre as características dos materiais investigados e sobre os processos físico-químicos e fenômenos em sua superfície, ou nas suas imediações. Uma investigação experimental das propriedades de superfície, tais como densidades de carga superficiais, parece ser apropriado e valioso para investigar como propriedades de superfície (presença e tipos de grupos funcionais) influenciam o investigadas química e física fenômenos. Em particular, as características de superfície relacionadas com a química de superfície dos materiais carbono dependem da carga de superfície definida pelo heteroátomos (tais como o oxigênio ou nitrogênio) e influenciar a molhabilidade, propriedades de adsorção, eletroquímicas e características catalíticas e, finalmente, comportamento ácido-base e hidrofóbico hidrofílico. Uma análise da posição de carga de ponto-de-zero na escala de pH fornece informações sobre acidez do sistema; Quanto menor oPzcE valor de pH, mais ácido é a amostra.

Figura 4A B mostra típico TEM energia dispersiva radiografia espectroscopia (EDS) espectros para o exemplo do método aberto de coordenação ilustrando a interação do feixe de elétron incidente com a amostra, o que gera os raios x com energias característicos de número atómico de elementos. Temperatura-EDS é uma poderosa ferramenta para a determinação da composição química. A Figura 4 mostra os resultados de EDS para material SBA-15. O valor da energia da radiação característica proveniente da amostra permite uma identificação dos elementos contidos na amostra estudada, enquanto a intensidade (a altura dos picos no espectro) permite uma análise qualitativa do seu conteúdo ( Figura 4).

A Figura 5 mostra os resultados das medições de ângulos de contacto no interior de nanoporos do método aberto de coordenação (Figura 5A) e SBA-15 (Figura 5B), referenciados para os wettabilities em grafite pirolítica altamente orientado suave (HOPG) e vidro substratos, respectivamente. Foram utilizados um vidro de superfície de sílica idealmente liso e grafite HOPG como uma superfície de grafite liso. Os ângulos medidos de contato são mostrados como uma função do parâmetro de umectação microscópicas αw para o suave silicone planar, a superfície de grafite e os materiais de difícil nanoporous. Valores de αw para os líquidos sobre estes suportes de sílica e grafite (Figura 5A, B) podem ser encontrados com base na seguinte equação.

Equation 3(3)

Aqui,
Εfw, εff = as profundezas de energia, o potencial de Lennard-Jones;
Σfw = o comprimento de colisão, o potencial de Lennard-Jones;
Ρw = número de átomos sólidos por unidade de volume;
Δ = a distância entre as camadas de separa no substrato.

Esses valores são tirados de literatura publicada anteriormente22,23,24. A medição de molhabilidade permite a caracterização das interações adsorbate/adsorvente. Juntamente com a titulação potenciométrica e a análise EDX, a medição de molhabilidade fornece uma descrição completa das propriedades superficiais de uma determinada amostra. Quanto menor o contato ângulo, maior a molhabilidade, que significa que a interação da molécula de líquido penetrante com a superfície estudada é mais forte (Figura 5A, B).

A Figura 6 mostra que a aspereza fracções f calculado a partir da Cassie-Baxter modelo25 vs o parâmetro umectante microscópica para o carbono nanoporous (Mac; Figura 6A) e a sílica (SBA-15; Figura 6B) matriz. Supomos que a umectação nas superfícies ásperas ocorre de acordo com o mecanismo de Cassie-Baxter (i.e., a gota do líquido não penetra nas cavidades, mas está no topo das irregularidades [conforme as inserções de Figura 5A, B ]). Neste modelo, o ângulo de contacto no θ superfície ásperap é descrito como:

cos,p = f(1 + cos) - 1 (4)

Aqui,
Θ = o valor do ângulo de contato em um suave substrato não poroso (vidro);
f = é a fração da superfície porosa, que está em contato direto com a interface líquido.

Vale a pena avaliar a rugosidade fracções f (equação 4) que age como um fator de correção para interpretar as medições de ângulo de contacto para as moléculas do líquido com a superfície da amostra nos poros.

A Figura 7 apresenta os resultados de espectroscopia dieléctrica para deuterado água confinado nas amostras estudadas do método aberto de coordenação (Figura 7A) e SBA-15 (Figura 7B). Estes ilustram as dependências de temperatura de capacidade elétrica C para ambas as amostras (Figura 7A, B). No estado sólido da substância polar, sua polarização como orientação desaparece, e a constante dielétrica ε é igual a n2, onde n é o índice de refração da substância. O acentuado aumento visível nas curvas C-T indica as derretimento transições de fase ocorrem no sistema. A temperatura do aumento anômalo da função C-T permite a determinação da melting point do líquido em massa e o ponto de fusão nos poros da amostra estudada.

Figure 1
Figura 1: Experimental N2 adsorção/dessorção isoterma trama em 77 K e distribuições de porosidade pelo Barrett, Joyner e Halenda método (BJH)7,26,27. Para material de carbono nanoporous (A e B) e (C e D) sílica material SBA-15. As isotermas de nitrogênio laços de histerese característico, fornecendo uma informação sobre a forma de mostrar e pore distribuições de tamanho dos poros estudados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: imagens TEM ilustrando a estrutura de canais ordenada nanoporous. (A - C) imagens TEM do carbono nanoporous ao longo da direção (001) a diversas ampliações. (D - E) a estrutura da SBA-15. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: resultados de titulação potenciométrica para Mac e SBA-15 (dependência do pH da densidade de carga superficial). A dependência da densidade de carga superficial de pH mostra as diferenças no caráter eletroquímico de ambos os materiais; o ponto de PzcE fornece informações sobre o número de sites ácidos sobre a superfície da amostra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: exemplos de espectros TEM - EDS e análise EDS. (A e B) espectros EDS para o exemplo do método aberto de coordenação, gravado a partir de duas diferentes áreas marcadas na imagem TEM. (C) EDS espectros e resultado da análise quantitativa da amostra SBA-15. Resultados quantitativos análise EDS de dar informações sobre a presença de elementos em grupos funcionais responsáveis pela reatividade da superfície; Esta é uma técnica complementar para a titulação potenciométrica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Contato ângulos vs o parâmetro umectante microscópicas medido dentro as matrizes porosas. (A) o nanoporous carbono (Mac) e (B) matriz de sílica (SBA-15), referenciados como os ângulos de contacto vs a função de parâmetro umectante microscópicos em HOPG liso e substratos de vidro, respectivamente. A molhabilidade dentro dos poros se refere a molhabilidade em superfícies planas e fornece algumas informações sobre a influência da rugosidade do poro em interações adsorbate/adsorvente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: A rugosidade fracções f calculado a partir da Cassie-Baxter modelo vs parâmetro umectante microscópica. Para (A) o nanoporous carbono (Mac) e (B) matriz de sílica (SBA-15). Uma aplicação do modelo de molhabilidade Cassie-Baxter permite a interpretação de ângulos de contacto em substratos porosos ásperos. As frações de f calculadas a partir deste modelo descrevem a percentagem das contribuições da parede porosa que estão em contato direto com a superfície líquida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Dependências de temperatura de capacitância elétrica de D2O água confinada dentro da matriz porosa do método aberto de coordenação e SBA-15. O método aberto de coordenação (A) e a matriz porosa (B) SBA-15. A interpretação da função de -T Cpermite a identificação da temperatura da transição de fase de D2O nos poros e a granel, ocorrendo no sistema estudado. Um aumento na pista de função C-T ao aumento do ponto de fusão para ambos água a granel e confinado a água dentro dos poros. O valor do deslocamento do ponto de derretimento em poros em relação a maior parte é dependente das interações moleculares de anfitrião/convidado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Amostra Área de superfície (Saposta)um  Volume de poros Distribuição de tamanho de poros
(m2/g) (cm3/g) (nm)
STotal Smicb VTotalc Vmicb Dhd Dmo (NLDFT)e Dmo(BJH)f
MÉTODO ABERTO DE COORDENAÇÃO 757 23 0.87 0,006 4.6 0.4 3.9
SBA-15 460 16 0.6 0,004 5.3 * 5.5

Tabela 1: os valores dos parâmetros texturais descrevendo uma estrutura porosa de carbono nanoporous ordenada e sílica SBA-15 calculado de N 2 isotermas de sorção. um Área de superfície de aposta calculada usando os pontos experimentais à pressão relativa (P/P0) 0.035 - 0,31, onde P e P0 são denotadas como a pressão de equilíbrio e saturação de nitrogênio. b Área de superfície e pore volume de microporos, calculados pelo método t-enredo com uma espessura de estatística cabida no intervalo de 3,56 a 4.86 Å. cTotal dos poros volume calculado por 0,0015468 x a quantidade de nitrogênio adsorvido em P/P0 = 0,99. d Diâmetros de poro hidráulico calculados a partir da aposta áreas de superfície e volumes de acordo com a equação de poros: Dh = 4V/S. e O diâmetro dos poros estimado a partir do máximo do PSD da teoria do funcional de densidade não-local (NLDFT). NLDFT cálculos foram realizados usando uma regularização não negativo de 0,001 e a geometria cilíndrica de poros como modelo de porosidade de carbono. f O diâmetro dos poros estimado a partir do método BJH (os mesmos resultados para dados de adsorção e dessorção). * A falta de valores de diâmetros dos poros da SBA-15 estimado a partir do método NLDFT. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Os passos críticos durante a preparação do material mesoporoso ordenada carbono incluem a preparação dos materiais sílica mesoporos ordenada como o modelo com propriedades estruturais bem definidas que afetam as propriedades dos materiais finais e um passo de têmpera/carbonização sob uma atmosfera de nitrogênio. A modificação do método de preparação de mesoporos o típico ordenou silicatos com poros cilíndricos28 preocupações a aplicação de um agente de estrutura-direcionando atípico que é polímero de PE10500, para a melhoria da estrutural Propriedades do material. A estrutura porosa tridimensional, interligada e estável do modelo é necessária para a preparação dos materiais carbono mesoporos. Além disso, uma desvantagem chave da preparação é o requisito essencial do tratamento para a remoção do modelo amostra. As propriedades dos produtos químicos utilizados nesta etapa podem afetar a superfície de carbono e sua funcionalidade. De acordo com a estratégia apresentada, a preparação da replicação do negativa do método aberto de coordenação é baseada no modelo sólido mesoporoso ordenada. O controle do tamanho dos poros e ordenação simétrica são simplesmente determinados usando o modelo de sílica e não estão associados com a interação entre o precursor de carbono e o modelo. O potencial do método aberto de coordenação para vários sistemas eletroquímicos tem sido indicado na literatura29,30. O mecanismo de impregnação apresentado neste trabalho é responsável pelo processo de facile precisamente replicar a estrutura negativa do modelo de sílica. A natureza do modelo difícil procedimento garante que os fenômenos de pirólise causam menos danos para a estrutura regular e ordenada. Além disso, este método permite uma mais fácil Grafitização dos materiais método aberto de coordenação formada dentro do modelo sólido.

A experimental isoterma de adsorção/dessorção de2 N (figura 1A, C) foi usada para obter informações preliminares sobre o tipo e tamanho de porosidade. Confirmou-se claramente o caráter nanoporous do material. Um pequeno aumento na quantidade de nitrogênio adsorvido na fase inicial do processo (na faixa de pressão relativa abaixo de 0,03) e seu aumento significativo no intervalo adicional de pressão relativa (especialmente no intervalo de mesopores) indica a existência de um número significativo de mesopores e a falta, ou um número muito pequeno, de microporos. Das isotérmicas de adsorção-dessorção obtidas por este material são típicas do tipo-IV (IUPAC classificação31), que é uma reflexão correta do sistema de canal de mesoporos carbono com uma fase de condensação capilar acentuada no parente intermediário pressão (0.45 - 0,9 P/P-0). A posição da etapa de condensação capilar corresponde à dimensão primária de mesopores (aproximadamente 4-5 nm). A amostra de carbono investigadas também apresenta uma alta área de superfície específica (757 m2·g-1) e um volume de poros significativa (0,87 cm3·g-1).

Os passos críticos durante as medições de adsorção/dessorção de nitrogênio são a etapa de determinação de amostra massa muito precisas e o suficientemente desgaseificar passo. O procedimento de medição foi realizado de acordo com as orientações adequadas. Apesar do fato de que a determinação da área de superfície e a distribuição de tamanho de poro baseia-se nas medidas physisorption, a interpretação das isotérmicas experimentais não é sempre direta.

Durante o cálculo de distribuição de tamanho da mesopores, por aplicação da equação modificada de Kelvin (que é a base da teoria), é necessário aceitar a suposição dos poros rígidas de forma bem definida. Além disso, o intervalo de validade da equação de Kelvin e a interpretação de histerese loops em das isotérmicas permanecem problemas não resolvidos. A possibilidade de facilitação está relacionada com a aplicação de métodos empíricos de análise isoterma (por exemplo,o αs-método29,30,31,32, 33,,34). No entanto, desta forma requer o uso de dados de adsorção obtidos com materiais de referência não porosas.

Figura 1B D apresenta distribuições de tamanho da mesopores das amostras estudadas (PSD). O pressuposto da teoria BJH permitiu a determinação da distribuição de tamanho do mesopores. A curva PSD, apresentada na figura 1B sugere que a amostra de carbono contido mesopores dos tamanhos de 3,5-4 nm, Considerando que o SBA-15 possuía os poros com um diâmetro de cerca de 5 nm (ver Figura 1). Curiosamente, para o exemplo do método aberto de coordenação, o maxima de curvas de distribuição de tamanho de poro calculado a partir da adsorção e dessorção dados são muito semelhantes. Como preciso acordo entre os resultados, tendo em conta os diferentes mecanismos de fenômenos de adsorção e dessorção, provas de uma natureza muito ordenada e uniforme do material. As propriedades texturais determinadas das isotermas experimentais estão resumidas na tabela 1.

As propriedades da estrutura de rede de poros com base em análises físicas de adsorção/dessorção são fundamentais para a caracterização dos nanopós e nanomateriais. Métodos de adsorção/dessorção de nitrogênio podem ser considerados como o primeiro estágio na caracterização de sólidos microporosos e mesoporos. O método é, em geral, aplicável a amostras de todas as classes de corpos porosos ou materiais e permite uma estimativa das estruturas porosas com base nas formas das isotermas e loops de histerese directamente a partir da medição experimental. A adsorção/dessorção de nitrogênio junto as outros métodos de determinação de estrutura porosa (intrusão líquido35 e luz, raios-x e nêutrons dispersando36,37 e microscopia32) é o mais importante e técnica útil devido à ampla aplicabilidade e comparabilidade mútua dos resultados.

O nitrogênio é uma molécula de gás padrão de adsorção para caracterização dos poros pelo método de adsorção de gás. É possível usar outros tipos de moléculas (dióxido de carbono, krypton, argônio) para a obtenção de novas informações sobre a amostra e para a caracterização de materiais microporosos.

As micrografias de temperatura das amostras investigadas de Mac e SBA-15 são apresentadas na Figura 2. Eles confirmaram um sistema altamente ordenado de mesopores, compreendendo canais porosos paralelos e muito semelhantes e uma estrutura em forma de haste de carbono com o poro tamanho ~ 11 nm (Fig. 2A-C). Micrografias de temperatura da OMC confirmaram uma simetria hexagonal dos poros na sequência inversa, a réplica do precursor de sílica nanoporous inicial e o diâmetro dos poros entre as hastes de 4.0 nm. O SBA-15 mostra a estrutura hexagonal ordenada bidimensional do mesopores; a estrutura bem ordenada da SBA-15 é observada em ambas as projecções, juntamente com os canais nanoporous e perpendicular a eles (Figura 2D, E). Estas observações estão em boa concordância com os valores obtidos a partir dos dados de sorção de nitrogênio experimental (ver tabela 1). Microscopia eletrônica de transmissão é capaz de fornecer imagens com uma resolução mais elevada do que a microscopia de luz devido o menor comprimento de onda de Broglie dos elétrons. Isso nos permite capturar os detalhes milhares de vezes menor do que um objeto pode ser resolvido, visto em uma microscopia de luz. Neste método, a imagem vem da interação dos elétrons com a amostra quando o feixe é transmitido em toda a amostra. Portanto, uma das limitações do método é que o espécime deve ser uma película ultrafino de menos de 100 nm de espessura ou uma suspensão aplicada sobre uma grade. TEM pode ser melhorado por um microscópio eletrônico de varredura transmissão (STEM). Deve ser possível pela adição de um sistema combinado com detectores apropriados, que serão raster a viga em toda a amostra para formar a imagem.

O pH da acusação de ponto-zero de método aberto de coordenação (ou seja, o valor de pH abaixo do qual a superfície total das partículas de carbono é carregada positivamente) foi encontrado para estar acima de pH = 10 (Figura 3). Para comparação, o pH da carga do SBA-15 material de ponto-de-zero é igual a cerca de 4,5. Resultados de titulação potenciométrica de SBA-15 material mostram uma mudança de pHPzcE em direção a valores mais baixos de pH, evidenciando a existência de alguns centros de ácido na superfície do SBA-15. Os sítios carregados negativamente aumentam as interações de Van der Waals entre as moléculas do adsorvente/adsorbate na matriz de SBA-15, melhorando as propriedades de adsorção da matriz de sílica.

Os passos críticos durante a medição de titulação potenciométrica incluem a adição muito precisa do titulante para a suspensão e a continuidade de agitação. O procedimento de titulação potenciométrica foi totalmente automatizado para garantir os resultados mais confiáveis. Outro passo importante e único foi a aplicação de um software especial para controle de cálculos e condições experimentais. A limitação desse método é a etapa de calibração do eletrodo de pH e a necessidade de garantir um ambiente estável (por exemplo, nitrogênio) e temperatura. Titulação potenciométrica pode ser categorizada como um procedimento de Titulação ácido/base. Esta técnica requer medições da mudança da tensão sobre as etapas de adição de titulante. Ele fornece uma técnica altamente precisa, acessível e adaptável para atingir elevado grau de pureza, que é essencial em muitos campos, particularmente em produtos farmacêuticos e estudos funcionais do materiais. Na verdade, há um número de tipos de titulações potenciométricos. Há, por exemplo, técnicas de ácido-base, redox, precipitação e complexométrico. Como titulações potenciométricos podem ser realizadas automaticamente, assegura maior capacidade para caracterização da amostra.

O PzcE é determinado como a interseção entre a curva de titulação do eletrólito e a curva de titulação gravado para material de carbono, bem como a interseção entre a curva de densidade de carga de superfície com o eixo. O resultado sugere que investigou, ordenou nanoporous material de carbono tem propriedades básicas relacionadas com a presença de grupos funcionais de oxigênio (-grupos terminais OH cetônicos, sistemas pyronic de anel, chromenic e elétrons π)38,39 ,40,41. As propriedades básicas da superfície do carbono podem ser resultado de um tratamento térmico que provoca a destruição progressiva e remoção de grupos funcionais de ácido oxigênio (por exemplo, carboxyls, lactonas e fenóis) e, assim, enriquece a superfície de carbono em basic grupos funcionais42. A presença destes sites básicos é uma consequência da diminuição simultânea do número de sites ácidas e uma redução do teor de oxigênio associado diretamente com a acidez. O teor de oxigénio foi verificado pelas temperatura-EDS.

Imagens de espectros EDS-temperatura da superfície do método aberto de coordenação de duas áreas diferentes da amostra são exibidas na Figura 4A, B. Átomos de oxigênio e silício da superfície da OMC foram detectados apesar da quantidade predominante de carbono. O atômico e porcentagem do peso dos elementos, apresentados como inserções e obtidos de diferentes áreas das amostras, são semelhantes e indicam cerca de 98% é composto de carbono e apenas um pouco mais de 1% da composição é atribuível ao oxigênio. Microanálise de EDS pode sugerir que o caráter básico da superfície do método aberto de coordenação de eventos é associado com número muito baixo de grupos funcionais contendo oxigênio, que geralmente tem funcionalidade ácida. Além disso, os grupos funcionais básicos pode ser responsáveis pelo crescimento da Hidrofilia dos materiais carbono. Um espectro de EDS de matriz de sílica confirma a principal contribuição de oxigênio e silício abundância da SBA-15 (Figura 4). EDX é uma das técnicas que determinam a composição atômica do espécime. Não dá informação química (por exemplo, o estado de oxidação, ligações químicas), como um método XPS. Para análise quantitativa, EDX não é adequado para elementos leves (oxigênio e.g.,like), uma vez que só pode detectar a presença de oxigênio, mas não podemos dosar isso. Esse método funciona somente na superfície de camadas finas (de alguns mícrons ou menos) e é bastante sensível para a contaminação da amostra.

Na Figura 5 A, B , os resultados do contato ângulo medições para vários líquidos em sílica e substratos de carbono são apresentados; Podemos ver que os sistemas revelam uma ampla gama de wettabilities. Dois dos substratos aplicados são lisas e planas, ou seja a sílica e carbono superfícies, enquanto os outros mostram a aspereza e contenham mesopores. Os ângulos de contato medidos são apresentados vso parâmetro umectante microscópicas, αw. Este parâmetro é a proporção entre as interações intermoleculares líquido-poros de parede para as interações de duas moléculas de líquido22,23,24. Portanto, mede as propriedades de umectação na nano - e macroscales. O parâmetro αw é mostrado para ser uma função monotônica do ângulo de contato. De acordo com as medições, os valores de ângulos de contacto para as superfícies com roughnessare mais elevado do que aqueles para as superfícies lisas e planares, independentemente do tipo de líquidos estudados, incluindo nonwetting discriminação-umectantes líquidos.

Estes resultados sugerem que o mecanismo de Cassie-Baxter de molhabilidade na nanorough superfícies de paredes porosas. Além disso, os ângulos de contacto medido para vários líquidos dentro de sílica e carbono nanoporos indicam melhor molhabilidade das paredes sílica do que as paredes de carbono, e a influência da rugosidade dos poros sobre as interações de líquido/parede é mais pronunciada para sílica do que para o carbono nanoporos. O método de ascensão capilar é usado para determinar os ângulos de contacto e molhabilidade de pequenas partículas em pós. Para um substrato plano sólido, muitas técnicas, tais como o método da gota séssil e método de placa de Wilhelmy, podem ser aplicadas para as medições de ângulo de contato. O uso do método da ascensão capilar pressupõe a satisfação de quatro condições durante o processo (i.e., equação de Washburn é derivada com base nestes quatro pressupostos): (1) um constante fluxo laminar, (2) a ausência de uma pressão externa, (3) insignificante força gravitacional e (4) o líquido na interface sólido-líquido não se move. A pressão hidrostática é muito menor que a pressão capilar; Portanto, a pressão capilar faz com que o líquido a subir para cima ao longo do tubo. Os estudos de molhabilidade das partículas pequenas devem ter sempre em conta a precisão e a reprodutibilidade dos resultados.

Tomeasure com precisão o ângulo de contato de pequenas partículas, os incrementos de pressão e os efeitos hidrostáticos deve ter em conta na equação de Washburn para descrever com mais precisão a relação entre o incremento de pressão e tempo.

Na figura 6A, B, apresentamos a fração f (descrevendo a parte de uma superfície porosa que está em contato direto com a interface do líquido), definido como f = (1 + cosp) / (1 + cos). Toma valores da gama de 0,73 (H2O) para 0.92 (OMCTS) para matriz de sílica e da gama de 0,82 (H2O) para 0,93 (OMCTS) para matriz de carbono. Além disso, a fração f aumenta monotonicamente com o parâmetro αw crescente, o que confirma o modelo Cassie-Baxter de umectação em substratos difíceis.

Estes resultados, discutidos no âmbito do modelo de Cassie-Baxter, mostraram que para nanosurfaces, a influência das micro-rugosidades afeta significativamente as alterações nas interações fluido-parede.

Para investigar a influência do caráter das superfícies porosas sobre os efeitos de confinamento de D2O no SBA-15 e matrizes de Mac com um tamanho de poro comparáveis de 5 nm, o método dielétrico foi usado. Os resultados da capacidade elétrica da água colocada na OMC e SBA-15 após aquecimento, como apresentado na Figura 7A e 7B figura, respectivamente, indicam que a dependência de temperatura de capacitância C mostra um aumento acentuado em T = 260 K, correspondente ao derretimento de adsorvida D2O dentro dos poros da SBA-15 e em T = 246,1 K, que remete para o derretimento da água adsorvida no interior dos poros do método aberto de coordenação. Para ambos os sistemas, observamos um aumento na função C(T) em T = 276,5 K, que é referido o ponto de fusão da água em massa deuterada. Os sinais observados estão relacionados tanto a granel e o líquido confinado porque as amostras são estudadas como suspensão em matrizes porosas enchidas com o líquido a ser em excesso. Relativo da maior parte, à temperatura de fusão de D2O nos poros SBA-15 está deprimida por ΔT = Tm, poro− Tm, volume =-16.5 K, enquanto que para Mac, ΔT =-30.4 K.

Estes resultados vêm de várias estruturas da parede dos poros. A temperatura de fusão nos poros Tm, poro é dependente de duas variáveis, ou seja, o tamanho dos poros H e o parâmetro de molhabilidade αw. Para os menores valores αw (αw < 1), a depressão de Tm, poro é esperada. Se a largura dos poros H é o mesmo, então, a variação do valor αw do sistema afeta a mudança em Tm, poro. Os resultados da molhabilidade nos poros mostram que o valor αw em ambos os sistemas estudados diminui devido aos efeitos de rugosidade em relação aqueles da superfície lisa. O trabalho de molhabilidade imerso em poros We = γlcosp é muito menos para D2O no método aberto de coordenação (We = 4,2432 [mN/m]) do que no SBA-15 (We = 20.968 [mN/m]), que leva a uma depressão elevada do ponto de derretimento neste sistema, em relação a isso para D2O no sistema SBA-15.

Os resultados obtidos indicam uma melhoria nos efeitos adesão na parede de sílica porosa, em relação aqueles na parede de carbono. Este método tem algumas limitações quando aplicado para as amostras estudadas. Uma delas vem do fato de que o registro da função C(T) contém o sinal de ambos os líquidos a granel e o líquido confinado nos poros. Portanto, o sinal do líquido confinado apolar é fraco, e é difícil determinar a temperatura de fusão. No futuro, vale combinar alguns métodos adicionais junto com ele. (por exemplo, diferencial digitalização calorimetria em uma taxa de aquecimento lento ou centrifugação da amostra para obter a amostra concentrada, sem qualquer tipo de líquido). Além disso, para as amostras condutoras, há uma necessidade de usar uma placa de politetrafluoretileno. Uma vantagem do método de espectroscopia dieléctrica é o fato de que o método é usado muitas vezes, em muitas áreas de pesquisa, tais como vidro transições e movimentos moleculares de escala de tempo, onde o comprimento de tempo é de dezenas de femtoseconds a nanossegundos. Portanto, é importante fornecer frequências variando de megahertz para terahertz. Em casos como a decomposição de espectros de obtidos ou a interpretação e a análise quantitativa dos resultados, a técnica assemelha-se mais comum espectroscopia. No entanto, o método dielétrico investiga as flutuações coletivas de moléculas com um momento de dipolo permanente (líquidos polares). Por exemplo, espectroscopia de infravermelho fornece informações complementares adicionais, embora a sensibilidade na direção dos modos coletivos possa impedir a interpretação de espectros de dielétrico.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores gostaria de agradecer o centro nacional de ciência, para a prestação de apoio financeiro com o grant não. DEC/09-2013/B/ST4/03711 e UMO-2016/22/ST4/00092. Os autores também são gratos pelo apoio parcial de a Polónia operacional programa Capital humano PO KL 4.1.1, bem como a partir do centro nacional de pesquisas e desenvolvimento, sob investigação conceder n. PBS1/A9/13/2012. Os autores agradecem especialmente por Prof L. Hołysz da divisão de fenômenos de interfaces, da faculdade de química, Universidade de Skłodowska-Curie de Maria, Lublin, Polónia, por sua bondade e permitindo que as medições da molhabilidade em nanoporos o SBA-15.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,3,5-trimethylbenzene Sigma-Aldrich, Poland M7200 Sigma-Aldrich Mesitylene, also known as 1,3,5-trimethylbenzene, reagent grade, assay: 98%.
anhydrous ethanol POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 396480111 Assay, min. 99.8 %, analysis-pur (a.p.)
ASAP 2020. Accelerated Surface Area and Porosimetry System Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA, USA Samples were outgassed before analysis at 120 oC for 24 hours in degas port of analyzer. The dead space volume was measured for calibration on experimental measurement using helium as a adsorbate.
Automatic burette Dosimat 665 Metrohm, Switzerland The surface charge properties were experimentally determined by potentiometric titration of the suspension at constant temperature 20°C maintained by the thermostatic device. Prior to potentiometric titration measurements, the solid samples were dried by 24 hours at 120 oC. The initial pH was established by addition of 0.3 cm3 of 0.2 mol/L HCl. T The 0.1 mol/L NaOH solution was used as a titrant, added gradually by using automatic burette.
Digital pH-meter pHm-240 Radiometer, Copenhagen Device coupled with automatic burette
ethyl alcohol POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 396420420 Assay, min. 96 %.analysis-pur (a.p.)
glucose POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 459560448 assay 99.5%
Hydrochloric acid POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 575283115 Hydrochloric acid, 35 - 38% analysis-pur (a.p.)
HOPG graphite substrate Spi Supplies LOT#1170906 HOPG SPI-2 Grade, 20x20x1 mm
Impedance analyzer Solartron 1260 Solartron
Pluronic PE 6400 polymer BASF (Polska) (EO13PO70EO13)
Pluronic PE10500 BASF Canada Inc. Molar mass 6500 g/mol
potassium hydroxide Sigma-Aldrich, Poland P5958 Sigma-Aldrich BioXtra, ≥85% KOH basis
SEM microscope JEOL JSM-7001F Scanning Electron Microscope with EDS detector
Sigma Force Tensiometer 701 KSV, Sigma701, Biolin Scientific force tensiometer
Sulfuric acid (VI) POCH, Avantor Performance Materials Poland S.A. 575000115
surface glass type KS 324 Kavalier Megan Poland 80 % of SiO2 , 11% of Na2O and 9% of CaO
Tecnai G2 T20 X-TWIN FEI, USA Transmission Electron Microscope with EDX detector.
TEM microscope JEOL JEM-1400
temperature controller ITC503 Oxford Instruments
Tetraethylorthosilicate Sigma-Aldrich, Poland 131903 Tetraethyl silicate, TEOS, reagent grade, assay 98%
Ultrapure water Millipore, Merck KGaA, Darmstadt, Germany SIMSV0001 Simplicity Water Purification SystemUltrapure Water: 18.2 MegOhm·cm, TOC: <5 ppb

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tao, Y., Kanoh, H., Abrams, L., Kaneko, K. Mesopore-Modified Zeolites: Preparation, Characterization, and Applications. Chemical Reviews. , 896-910 (2006).
  2. Wan, Y., Zhao, D. On the Controllable Soft-Templating Approach to Mesoporous Silicates. Chemical Reviews. 107, 2821-2860 (2007).
  3. Khder, A. E. S., Hassan, H. M. A., El-Shall, M. S. Acid catalyzed organic transformations by heteropolytungstophosphoric acid supported on MCM-41. Applied Catalysis A. 411, 77-86 (2012).
  4. Zhao, D. D., et al. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores. Science. 279, 548-552 (1998).
  5. Linssen, T., Cassiers, K., Cool, P., Vansant, E. Mesoporous templated silicates: an overview of their synthesis, catalytic activation and evaluation of the stability. Advances in Colloid and Interface Science. 103, 121-147 (2003).
  6. Eftekhari, A., Fan, Z. Ordered mesoporous carbon and its applications for electrochemical energy storage and conversion. Materials Chemistry Frontiers. 1, 1001-1027 (2017).
  7. Sing, K. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids and Surfaces A. 241, 3-7 (2004).
  8. Huo, Q., Margolese, D. I. Generalized synthesis of periodic surfactant/inorganic composite materials. Nature. 368, 317-321 (1994).
  9. Selvaraj, M., Kawi, S., Park, D. W., Ha, C. S. Synthesis and characterization of GaSBA-15: Effect of synthesis parameters and hydrothermal stability. Microporous and Mesoporous Materials. , 586-595 (2009).
  10. Leonard, A., et al. Toward a better control of internal structure and external morphology of mesoporous silicas synthesized using a nonionic surfactant. Langmuir. 19, 5484-5490 (2003).
  11. Liang, C., Li, Z., Dai, S. Mesoporous Carbon Materials: Synthesis and Modification. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3696-3717 (2008).
  12. Babić, B., et al. New mesoporous carbon materials synthesized by a templating procedure. Ceramics International. 39 (4), 4035-4043 (2013).
  13. Allen, S. J., Whitten, L., Mckay, G. The Production and Characterization of Activated Carbons: A Review. Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing. 6, 231-261 (1998).
  14. Kwak, G., et al. Preparation Method of Co3O4 Nanoparticles Using Ordered Mesoporous Carbons as a Template and Their Application for Fischer-Tropsch Synthesis. The Journal of Physical Chemistry C. 117 (4), 1773-1779 (2013).
  15. Koo, H. M., et al. Effect of the ordered meso-macroporous structure of Co/SiO2 on the enhanced activity of hydrogenation of CO to hydrocarbons. Catalysis Science and Technology. 6, 4221-4231 (2016).
  16. Jun, S., Joo, S. H., Ryoo, R., Kruk, M., Jaroniec, M. Synthesis of New, Nanoporous Carbon with Hexagonally Ordered Mesostructure. Journal of the American Chemical Society. 122 (43), 10712-10713 (2000).
  17. Washburn, E. W. The dynamics of capillary flow. Physical Review Series2. 17, 273 (1921).
  18. Śliwińska-Bartkowiak, M., Sterczyńska, A., Long, Y., Gubbins, K. E. Influence of Microroughness on the Wetting Properties of Nano-Porous Silica Matrices. Molecular Physics. 112, 2365-2371 (2014).
  19. Śliwińska-Bartkowiak, M., et al. Melting/freezing behavior of a fluid confined in porous glasses and MCM-41: dielectric spectroscopy and molecular simulation. Journal of Chemical Physics. 114, 950-962 (2001).
  20. Coasne, B., Czwartos, J., Śliwińska-Bartkowiak, M., Gubbins, K. E. Freezing of mixtures confined in silica nanopores: experiment and molecular simulation. Journal of Chemical Physics. 133, 084701-084709 (2010).
  21. Chełkowski, A. Dielectric Physics. , PWN-Elsevier. Warsaw, Poland. (1990).
  22. Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Global phase diagrams for freezing in porous media. Journal of Chemical Physics. 116, 1147-1155 (2002).
  23. Gubbins, K. E., Long, Y., Śliwińska-Bartkowiak, M. Thermodynamics of confined nano-phases. Journal of Chemical Thermodynamics. 74, 169-183 (2014).
  24. Radhakrishnan, R., Gubbins, K. E., Śliwińska-Bartkowiak, M. Effect of the fluid-wall interaction on freezing of confined fluids: Toward the development of a global phase diagram. Journal of Chemical Physics. 112, 11048 (2000).
  25. Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Transactions of the Faraday Society. 40, 546 (1944).
  26. Sing, K. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76, 3-11 (1998).
  27. Sing, K. The use of nitrogen adsorption for the characterisation of porous materials. Colloids and Surfaces A. 187, 3-9 (2001).
  28. Yu, C., Fan, J., Tian, B., Zhao, D. Morphology Development of Mesoporous Materials: a Colloidal Phase Separation Mechanism. Chemistry of Materials. 16 (5), 889-898 (2004).
  29. Liu, D., et al. Enhancement of Electrochemical Hydrogen Insertion in N-Doped Highly Ordered Mesoporous Carbon. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (5), 2370-2374 (2014).
  30. Choi, W. C., et al. Platinum Nanoclusters Studded in the Microporous Nanowalls of Ordered Mesoporous Carbon. Advanced Materials. 17, 446-451 (2005).
  31. Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Application. , Academic Press. London, UK. (1999).
  32. Gregg, S. J., Sing, K. S. W. Adsorption, Surface Area and Porosity. , Academic Press. London, UK. (1982).
  33. Llewellyn, P. L., Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. S. W. Critical appraisal of the use of nitrogen adsorption for the characterization of porous carbons. Characterization of Porous Solids V. Unger, K. K., Kreysa, G., Baselt, J. P. , Elsevier. Amsterdam, The Netherlands. Studies in Surface Science and Catalysis Vol. 128 421-427 (2000).
  34. Sing, K. S. W. The use of gas adsorption for the characterization of porous solids. Colloids and Surfaces. 38, 113-124 (1989).
  35. Rouquerol, J. Recommendations for the characterization of porous solids. Pure & Applied Chemistry. 66, 1739-1758 (1994).
  36. Marega, C. A direct SAXS approach for the determination of specific surface area of clay in polymer-layered silicate nanocomposites. The Journal of Physical Chemistry B. 116, 7596-7602 (2012).
  37. Tsao, C. S., et al. Neutron Scattering Methodology for Absolute Measurement of Room-Temperature Hydrogen Storage Capacity and Evidence for Spillover Effect in a Pt-Doped Activated Carbon. The Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 1569-1573 (2010).
  38. Mattson, J. S., Mark, H. B. Activated Carbon: Surface Chemistry and Adsorption from Solution. , Dekker. New York, NY. (1971).
  39. László, K., Szucs, A. Surface characterization of polyethyleneterephthalate (PET) based activated carbon and the effect of pH on its adsorption capacity from aqueous phenol and 2,3,4-trichlorophenol solutions. Carbon. 39, 1945-1953 (2001).
  40. Garten, V. A., Weiss, D. E., Willis, J. B. A new interpretation of the acidic and basic structures in carbons. Australian Journal of Chemistry. 10, 309-328 (1957).
  41. Boehm, H. P. Surface oxides on carbon and their analysis: A critical assessment. Carbon. 40, 145-149 (2002).
  42. Menendez, J. A., Phillips, J., Xia, B., Radovic, L. R. On the modification and characterization of chemical surface properties of activated carbon: In the search of carbons with stable basic properties. Langmuir. 12, 4404-4410 (1996).

Tags

Química questão 145 Nanoporous carbonos modelo Cassie-Baxter molhabilidade equação de Washburn modificada parâmetro umectante microscópicas isotérmicas de adsorção/dessorção de nitrogênio titulação potenciométrica acidez
Propriedades de superfície de carbono de Nanoporous sintetizado e matrizes de sílica
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sterczyńska, A.,… More

Sterczyńska, A., Śliwińska-Bartkowiak, M., Zienkiewicz-Strzałka, M., Deryło-Marczewska, A. Surface Properties of Synthesized Nanoporous Carbon and Silica Matrices. J. Vis. Exp. (145), e58395, doi:10.3791/58395 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter