Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Silikat Matrisler ve sentezlenmiş Nanoporous karbon yüzey özellikleri

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

Burada malzemelerin ve sipariş edilen nanoporous karbon (4.6 nm gözenek boyutu) olan ve SBA-15 (5.3 nm gözenek boyutu) olan raporu. Çalışma yüzeyi ve nanoporous moleküler elekler dokusal özellikleri, onların wettability ve D2malzemeler sınırlı O erime davranışını açıklar.

Abstract

Bu eser bulunmaktadır sentez ve karakterizasyonu sipariş nanoporous bir 4.6 nm gözenek boyutu ve sipariş edilen silis gözenekli matris, karbon malzeme (sipariş edilen mesoporous karbon malzeme [OMC] olarak da bilinir) rapor SBA-15, 5.3 nm gözenek boyutu. Bu eser nanoporous moleküler elekler, onların wettability yüzey özelliklerini açıklar ve D2O erime davranışını farklı sıralı gözenekli malzeme benzer gözenek boyutları ile sınırlı. Bu amaçla, OMC ve SBA-15 yüksek sıralı nanoporous yapılar ile yolu ile emprenye silis matris karbon habercisi uygulayarak ve sol-jel yöntemi tarafından sırasıyla sentez. İncelenen sistemleri gözenekli yapısı N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analizi, 77 K. ile karakterizedir Sentezlenmiş malzeme yüzeyinin elektrokimyasal karakterini belirlemek için potentiometric titrasyon ölçümleri yapılmaktadır; OMC için elde edilen sonuçlar SBA-15 göre pH daha yüksek değerler yönünde önemli pHpzc değişimi gösterir. Bu incelenen OMC yüzey özelliklerini oksijen tabanlı fonksiyonel gruplarıyla ilişkili olduğunu göstermektedir. Malzemelerin yüzey özellikleri açıklamak için okudu gözenekli yataklar Penetran sıvı temas açılarını da belirlenir. Kapiller yükselişi yöntemi silis duvarlar karbon duvarlar göre artan wettability ve hangi karbon mesopores için silis için çok daha belirgin bir etkisinin gözenek pürüzlülük sıvı/duvar arasındaki etkileşimleri onaylamıştır. D2OMC ve SBA-15 Dielektrik yöntemi uygulayarak sınırlı O erime davranışını da inceledik. Sonuçlar D2O OMC gözeneklerin içinde erime sıcaklığı depresyon 15 K SBA-15 erime sıcaklığı depresyon göre daha yüksek bir karşılaştırılabilir 5 nm boyutu ile gözenekleri olduğunu gösterir. Bu adsorbate/adsorbent etkileşimleri okudu matrislerin etkisi tarafından kaynaklanır.

Introduction

1992'de, ilk kez, organik bir şablonu kullanarak sipariş edilen nanoporous silis malzeme elde edilmiştir; o zamandan beri yayınlar, çok sayıda farklı yönlerini bu yapılar, sentetik yöntemleri, özellikleri, onların değişiklikler incelenmesi ile ilgili ve farklı uygulamaları edebiyat1',2 yer aldı ,3. Kendi benzersiz kalitesi nedeniyle SBA-15 nanoporous silika matris4 iyisi: bir Tekdüzen gözenek boyutu dağılımı ve iyi kimyasal ve mekanik özellikleri ile yüksek yüzey alanı, geniş gözenekler. Organik reaksiyonlar6,7verimli katalizörler oldukları gibi Nanoporous silis malzeme SBA-155gibi silindirik gözenekli gözenekli matris genellikle için Katalizörler kullanılır. Malzeme onların özellikleri8,9,10etkileyebilir yöntemleri geniş bir sentez. Bu nedenle, bu yöntemlerin çok alanda potansiyel uygulamalar için optimize etmek önemlidir: elektrokimyasal aygıtları, nanoteknoloji, biyoloji ve tıp, ilaç dağıtım sistemleri, ya da yapışma ve Triboloji. Mevcut çalışma, nanoporous yapıları iki farklı türde, yani silika ve karbon gözenekli matrisler sunulmaktadır. Bunların özelliklerini karşılaştırmak için SBA-15 matrisin sol-jel yöntemiyle sentezlenir ve sipariş edilen nanoporous karbon malzeme elde edilen silis matris emprenye karbon habercisi ile tarafından hazırlanmıştır.

Gözenekli karbon malzemeleri birçok aletleri onların yüksek yüzey alanı ve kendi benzersiz ve iyi tanımlanmış fizikokimyasal özellikleri6,11,12nedeniyle önemlidir. Tipik hazırlık malzemeleri rastgele dağıtılmış porozite ve düzensiz bir yapı ile sonuç; Ayrıca genel gözenek parametreleri değiştirmek için sınırlı bir olasılık, ve böylece, yapıları nispeten geniş gözenek boyutu dağıtımları ile13elde edilir. Bu olasılık için nanoporous karbon malzemeleri yüksek yüzey alanları ile genişletti ve sistemleri nanopores emretti. Daha fazla tahmin geometri ve fizikokimyasal işlemler gözenek alanı içinde daha fazla kontrol birçok uygulamada önemli: katalizör, ayırma medya sistemleri, elektronik malzeme ve nanoreactors, birçok bilimsel alanlar14 gelişmiş , 15.

Gözenekli karbon yinelemeler elde etmek için sıralı Silikatlar karbon öncüleri doğrudan tanıtıldı sağlam bir matris hareket edebilir. Yönteminin çeşitli aşamalarında bölünmüş olabilir: seçim sipariş edilen silis malzeme; bir karbon öncü bir silika matris birikimi; kömürleşme; o zaman, Silis matris kaldırılması. Pluto malzemeler farklı türlerde bu yöntemle elde edilebilir, ama tüm gözeneksiz malzemelerin düzenli bir yapıya sahip. İşleminin önemli bir unsuru olan nanopores bir istikrarlı, üç boyutlu yapısı16oluşturması gerekir uygun bir matris seçimidir.

Bu çalışmada, gözenek duvar tipi sentezlenmiş nanoporous matrisler yüzey özelliklerini üzerinde etkisi araştırıldı. OMC malzemenin yüzey özelliklerini silis analog (SBA-15) OMC, yüzey özellikleri tarafından yansıtılır. Her iki tür malzemeler (OMC ve SBA-15) dokusal ve yapısal özelliklerini düşük sıcaklık N2 adsorpsiyon/desorpsiyon ölçülerde (77 K), transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve enerji dağıtıcı x-ışını analiz () ile karakterizedir EDX).

Düşük sıcaklık gaz adsorpsiyon/desorpsiyon ölçüm gözenekli malzeme karakterizasyon sırasında en önemli teknikleri biridir. Azot gazı yüksek saflığı ve olasılığı nedeniyle bir adsorbate olarak güçlü etkileşim ile katı adsorbents oluşturmak için kullanılır. Bu teknik önemli avantajları kullanıcı dostu depo donatımı ve nispeten kolay veri işleme yordamları vardır. Azot adsorpsiyon/desorpsiyon isotherms belirlenmesi adsorbate molekülleri basınç (P/P0) geniş bir alanda 77 K de katı adsorbent yüzeyinde birikimi temel alır. Gözenek boyutu dağıtıma karşı deneysel adsorpsiyon veya desorpsiyon isotherms hesaplamak için Barrett, Joyner ve Halenda (BJH) prosedür uygulanır. BJH yönteminin en önemli varsayımlar düzlemsel bir yüzeye ve adsorbate incelenen yüzeyinde eşit dağılımı içerir. Ancak, bu teori üzerinde Kelvin denklemi dayanmaktadır ve gözenek boyutu dağıtım mesoporous aralığındaki hesaplamak için en çok kullanılan şekilde kalır.

Elektrokimyasal karakter örnekleri değerlendirmek için bir potentiometric titrasyon yöntemi uygulanır. Malzemenin yüzey kimyası heteroatoms veya fonksiyonel grupların yüzeyi varlığı ile ilgili yüzey şarj bağlıdır. Yüzey özelliklerini de iletişim açı analizi ile incelenmiştir. Gözenekleri içinde wettability adsorbate-adsorbent etkileşimleri hakkında bilgi sağlar. Duvar pürüzlülük etkisi her iki örnekleri sınırlı su erime sıcaklığı Dielektrik gevşeme spektroskopisi (DRS) tekniği ile incelenmiştir. Dielektrik sabiti ölçümleri olayları sıvı polarizability erime soruşturma izin ve katı aşamaları birbirinden farklıdır. Kapasitans sıcaklık bağımlılığının eğimi bir değişiklik erime içinde belgili tanımlık sistem oluştuğunu gösterir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. OMC malzemelerin hazırlık

  1. Silis matris OMC habercisi olarak sentezi
    1. 1.6 M HCL 360 mL 50 mL HCL (% 36-%38) ekleyerek hazırlamak 500 mL yuvarlak alt şişesi ve o zaman, ekleme 310 mL ultrasaf su (direnci 18,2 MΩ·cm).
    2. Bu, 10 g, PE'nin 10500 Ekle polimer (6.500 g/mol).
    3. Şişeye bir ultrasonik banyoda yerleştirin. Çözüm ila 35 ° C ısı ve katı polimer tamamen homojen bir karışım yapmak eriyene kadar karıştırın.
    4. Şişesi için 1,3,5-fenilen 10 g ekleyin ve içerik (bir hızda karıştırma 220 devir/dakika) 35 ° c su banyosu içinde tutarak karıştırın.
    5. 30 dk için karıştırma sonra şişeye için tetraethyl orthosilicate (TEOS) 34 g ekleyin. TEOS yavaş yavaş ve dropwise ile sürekli karıştırarak ekleyin. TEOS 34 g ekleyin için 10 dakika sürer emin olun.
    6. Çözüm karışımı 20 h için tekrar aynı sıcaklıkta (35 ° C) ilave edin.
    7. Şişeye içeriğini politetrafloroetilen kartuşu aktarmak ve bir otoklav içinde yerleştirin. 90 ° C'de 24 h için çözüm bırakın
    8. Büchner huni kullanarak elde edilen çökelti, filtre ve en az 1 L. kullanarak distile su ile yıkayın
    9. Oda sıcaklığında elde edilen katı kuru ve 500 ° c 6 h için bir hava atmosferde Muffe fırını kullanarak, örnek bir ısıl işlem uygulanır.
  2. Bir karbon habercisi kullanarak elde edilen silis Matrix'in emprenye
    1. Su, 3 M sülfürik asit (VI), uygun oranlarda ile emprenye Çözümleri (IS1 ve IS2) hazırlamak ve şeker (glikoz), burada glikoz karbon öncü rol oynamaktadır ve sülfürik asit katalizör davranır.
      Dikkat: Sülfürik asit çok toksik, şiddetli cilt yanıkları ve göz hasarı neden olur.
      1. IS1 hazırlayın. Silis her gram için su 5 g, 3 M sülfürik asit (VI) 0.14 g ve 1,25 g şeker karıştırın.
      2. IS2 hazırlayın. Silis her gram için su 5 g, 3 M sülfürik asit (VI) 0,08 g ve 0.75 g şeker karıştırın.
    2. Silis malzeme (1 g) ve karbon habercisi ve katalizör hazır çözüm IS1 bir 500 mL şişeye koyun. Bir vakum kurutma makinesi 100 ° c 6 h için karışım ısı.
      Not: Bu adımda, yalnızca IS1 kullanın. IS2 bir sonraki adımda uygulanmalıdır.
    3. IS2 vakum kurutma makinesi (için kısmen kömürleşmiş karbon habercisi Çözümle) karışımı ekleyin. Karışımı tekrar vakum kurutma için 12 h 160 ° C'de ısı.
  3. Meneviş Fırınları/kömürleşme
    1. Elde edilen kompozit bir harç daha büyük parçacıkların parçalanma ve malzemenin bir homojenizasyon için transfer.
    2. Elde edilen ürün akışı fırın yerleştirin ve 700 ° C (oranında Isıtma 2,5 ° C/dak) ve bu sıcaklıkta 6 h için ısı ısı. Isı bir azot atmosferde malzeme.
    3. Çözüm fırın açmadan önce soğutmak izin verin.
  4. Aşındırma tarafından silis matris kaldırılması
    1. Çözüm (ES) aşındırma 100 mL hazırlayın. 50 mL % 95 etil alkol ve 50 mL su karıştırın. 7 g potasyum hidroksit ekleyin ve o eriyene kadar karıştırın.
    2. Yer tüm kömürleşmiş malzeme (en az 1 g) bir 250 mL yuvarlak alt şişesi ile ES 100 mL ekleyin.
    3. Reflü Kondenser ve manyetik karıştırıcı ve kaynatın ısı sistemiyle sürekli karıştırarak sağlayın. 1s için karışımı kaynatın.
    4. Elde edilen malzeme Büchner huni aktarmak, distile su ile en az 4 L yıkama ve kuru.

2. silis SBA-15 matris hazırlanması

  1. Silis matris sentez.
    1. 150 mL 1,6 M HCL hazırlayın.
    2. PE 6400 polimer (EO13PO70EO13) 150 mL asit çözeltisi içinde bir yuvarlak alt şişesi 4 g geçiyoruz.
    3. Şişeye bir ultrasonik banyoda yerleştirin. Çözüm ile 40 ° C ısı ve böylece polimer çözünebilmektedir karıştırın (en az 30 dakika).
    4. Yavaş yavaş TEOS 8,5 g şişeye için dropwise, ile sürekli karıştırarak ekleyin. 24 h için çözüm karışımı ilave edin aynı sıcaklıkta (40 ° C).
    5. Şişeye içeriğini politetrafloroetilen kartuş aktarmak. 24 h için çözüm 120 ° C fırında bırakın.
    6. Büchner huni kullanarak elde edilen çökelti, filtre ve (en az 1 L) distile su ile yıkayın.
    7. Oda sıcaklığında ve calcine bir hava atmosferde Muffe fırını kullanarak 600 ° c 6 h için elde edilen katı kuru.

3. karakterizasyon metodları

  1. Düşük sıcaklık azot adsorpsiyon/desorpsiyon ölçümleri
    1. N2 77 K., adsorpsiyon/desorpsiyon isotherms elde etmek için bir otomatik MPa'dan analizörü kullanın
    2. Bir uygun cam tüp azot MPa'dan ölçümleri için kullanın. Gözenekli örnek cam tüp eklemeden önce bir ultrasonik yıkama tüpte temiz ve distile su ile ilk ve sonraki, susuz etanol ile durulayın.
    3. Cam tüp 3 h için 150 ° C'de ısı ve tüp sıkıştırılmış azot ile doldurun. Ölçüm ağırlığı hata en aza indirmek için önce azot koşullarda boş cam tüp tartın.
    4. Örnek cam tüpte yerleştirin ve toplam kütle (örnek cam tüp ile kitle) tartmak.
    5. Ölçümleri öncesinde örnek degas. Örnek ile cam tüp MPa'dan Analyzer gaz giderme bağlantı noktası yerleştirin. Aşağıdaki işlem koşulları geçerlidir: en az 0,01 mmHg, 423 K, sıcaklık, basınç ve süresi 24 h. Gaz Giderme limanda vakum için örnek bağlanmak ve set sıcaklık (423 K) ısı. Gaz Giderme sonra örnek azot ile doldurun ve analiz bağlantı noktasına aktar.
  2. Transmisyon elektron mikroskobu
    1. 120 ile TEM mikroskop kullanma kV (için SBA-15) ve 200 kV (OMC malzeme için) hızlanan gerilim en iyi kalitede TEM görüntü toplamak için.
    2. Örnek bir monodisperse film hazırlamak için etanol (1 mL) örnek (1 mg) dağıtmak. Dağılım yordamı 3 dk ultrasonik bir banyo koyarak bir microcentrifuge tüp içinde gerçekleştirin.
    3. Dispersiyon iki damla bir micropipette kullanarak bir TEM bakır ızgara üzerinde yerleştirin. TEM kılavuz TEM mikroskop aktarmak ve TEM görüntüleme başlatın.
  3. Enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi
    1. Taramalı elektron mikroskobu bir x-ışını dedektörü ile donatılmış bir enerji dağıtıcı x-ışını spektrumu örnekleri almak için kullanın.
    2. 15 bir ivme gerilim uygulamak kV spektrum hasat. Silikon SBA-15 ve karbon OMC örnek için en iyi duruma getirme öğesi olarak seçin.
  4. Potentiometric titrasyon ölçüm
    1. Bir otomatik Büret potentiometric titrasyon deney gerçekleştirmek için kullanın. Titrant (titrasyon yazılım ve yordam göre) küçük ve kontrollü bölümleri ekleyin. En küçük artış, en az 1 μL, tarafından bir otomatik dozaj intrument sağlar.
    2. 30 mL bir elektrolit çözeltisi (0.1 M NaCl su solüsyonu) örnekte 0.1 g dağıtmak. İzotermal koşul (293 ± 0.1 K) ve manyetik karıştırıcı sırasında dağılım yordamı kullanın.
    3. Titrant (0.1 M NaOH çözüm) 1-2 mL süspansiyon için ekleyin.
      Not: ek küçük aliquots (her 0,05 mL olmak) içinde gerçekleştirin. Otomatik Büret yordamı en az bir düzine deneysel Puan 14 1 pH aralığında sağlamalıdır.
    4. Masrafın Qsaşağıdaki formülü kullanarak, yüzey yoğunluğu hesaplayabilirsiniz.
      Equation 1(1)
      Burada,
      Δn = örnek; kitle azaltılmış H+/OH- denge içinde değiştir
      Sbahis gözenekli katı hal; Brunauer-Emmett-Teller (bahis) yüzey alanı =
      F = Faraday'nın numarası.
  5. Wettability ölçümler için kapiller yükselişi yöntemi
    1. Çalışılmış örnekleri gözeneklerin içine temas açısı belirlemek için kapiller yükselişi yöntemini kullanın.
      Not: Bu yöntem gözenekli yatak zaman fonksiyonu olarak Penetran sıvı kitle yükselişi ölçümü temel alır. Bu yöntemin ana fark Penetran sıvı gözenekli sütuna ilerleyen ve bu sütun belirli bir ortalama RADIUS ile karş kapiller oluşan dayalı gerçeğine varsayılır. Böylece, her ilişki için tek kılcal türetilmiş gözenekli toz katmanı için geçerlidir. Bir tek dikey kılcal, ıslatma sıvı gözenekleri (kapiller basınç) sıvı ve Buhar arasındaki basınç farkı sonucu çekim güçleri karşı yüzer. Bu anlamda, sıvı penetrasyon gözenekli yatağa gözenekleri içinde dinamik ilerleyen iletişim açı tayini sağlar.
    2. Aşağıdaki gibi ifade değiştirilmiş Washburn'ın denklem17,18, uygulamak.
      Equation 2(2)
      Burada,
      m = kütle ölçülen sıvı;
      C = geometrik parametresi bağımlı dağıtım, şekli ve boyutu gözeneklerin;
      ρ = yoğunluğu;
      γl= yüzey gerilimi;
      η = viskozite Penetran sıvı;
      Θ temas açısı; =
      t = zaman.
    3. Denklem (2) kullanarak, değerler eğitimi gözenekleri içinde ilerleyen iletişim açıların tahmin ediyoruz.
    4. Kuvvet tensiometer hazırlayın. Tozlar için bir cam tüp çapı 3 mm ve seramik Traverten kullanın; sıvı için bir gemi 22 mm çapında ve 10 mL maksimum hacmi ile kullanın.
    5. Örnek 0.017 g ölçü birimi.
    6. Tensiometer için bağlı bilgisayar programını başlatın. Bir gemi ile sıvı motor tahrikli bir sahneye koydu ve cam tüp ile örnek bir elektron teraziler askıya alma.
    7. Motor başlangıç ve sıvı içinde 10 mm/dak sürekli düşük oranında örnek ile gemi yaklaşıyor başlangıç; içine sıvı eşittir 1 mm için örnek tüp daldırma derinliğini ayarlayın.
    8. Bu andan itibaren bağımlılık m2 = f(t) kayıtları bilgisayar programı.
    9. Denemeyi durdurmak ne zaman bağımlılığı m2 = karakteristik Yaylası göstermek için f(t) başlar.
    10. Doğruluk için x - 5 x 3 Bu yordamı yineleyerek denetleyin.
  6. Dielektrik gevşeme spektroskopisi
    1. Sınırlı su okudu gözenekli matris içinde eriyen davranışını açıklamak için örnek paslanmaz çelik19, yapılan bir paralel plaka kapasitör içinde mevcut elektrik kapasitans C sıcaklık ölçümleri gerçekleştirmek 20 , 21. bir empedans analizörü kapasitans C sıcaklık fonksiyonu ve uygulamalı döngüsel elektrik alanı sıklığı ölçmek için kullanın.
      Not: Karmaşık elektrik geçirgenlik ε * tanımlanan ε =' + iε'', nerede ε' = C/C0 gerçek ve ε'' tgδ·ε =' C0 boş kapasite nerede geçirgenlik, hayali bir parçası olduğunu kondansatör ve tgδ Dielektrik kayıplar vardır.
    2. Ölçülen örnek plaka kapasitör koymak.
    3. Frekans aralığı 1 MHz ve K. denetimi sıcaklık oranı değiştirme sıcaklık denetleyicisiyle 305 sýcaklýðýna 140 K dan 100 Hz seçin; Sıcaklık oranı soğutma sırasında 0.8 K/dak ve 0.6 K/dk Isıtma işlemi sırasında eşit olarak ayarlayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Gözenekli yapısı OMC ve SBA-15, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon incelenen örneklerin karakterize etmek için isotherms 77 K. kaydedildi İncelenen sistemlerin yanı sıra adsorpsiyon ve desorpsiyon verilerinden elde edilen gözenek boyutu Dağılımları (PSD) karakterize deneysel N2 gaz adsorpsiyon-desorpsiyon isotherms şekil 1A-Dsunulmaktadır. Emilimi isotherms (şekil 1A, C) dönüm noktalarında doldurma mesopore sürecinin başladığı basınç gösterir. Bu bilgiler kötü gözenek boyutu ve PSD (şekil 1B, D), Kelvin denklem göre hesaplanması için gereklidir.

Şekil 2A -C OMC TEM görüntülerini sunar. Şekil 2B E SBA-15 örnek TEM görüntülerini sunar. Elde edilen TEM Filmler sentezlenmiş malzemelerin kalitesi değerlendirme ve iki boyutlu altıgen yapısı teyit için kullanılmıştır. Bir yorum TEM görüntülerin MPa'dan ölçümleri (şekil 1) elde edilen veriler ile bir tahmin gözenek boyutları ve değerleri karşılaştırma sağlar.

Şekil 3 karbon ve silis malzeme için yüzey ücret yoğunluk dağılımı gösterir. Yüzey özelliklerini ve destekler ve katı matrisler arayüzleri incelenen malzemelerin özellikleri ve fizikokimyasal işlemler ve olaylar onların yüzeyi veya onların çevresinde çok önemli bir etkiye sahip. Deneysel soruşturma gibi yüzey şarj yoğunlukları, yüzey özellikleri uygun ve yüzey Özellikler (varlığı ve fonksiyonel grup türü) incelenen kimyasal etkiler nasıl soruşturma için değerli ve fiziksel olarak görünmektedir olayları. Özellikle, karbon malzemeleri yüzey kimyası için ilgili yüzey özellikleri (örneğin, oksijen veya azot) heteroatoms tarafından tanımlanan yüzey şarj bağlıdır ve etkisi wettability, adsorptive özellikleri, elektrokimyasal ve katalitik özellikleri ve son olarak, asit-baz ve hidrofobik hidrofilik davranış. Sıfır noktası şarj konum pH ölçekte bir analizini sistemin Asitlik hakkında bilgiler; örnek düşük pHpzc değeri, daha asidik.

Şekil 4A Tipik TEM-enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDS) spectra ile enerjileri atom numarası karakteristik röntgen oluşturur örnek olay elektron ışını etkileşim gösteren OMC örnek için B gösterir öğeleri. TEM-EDS kimyasal bileşikler belirlenmesi için güçlü bir araçtır. Şekil 4 c EDS sonuçlar SBA-15 malzeme için gösterir. Örnekten karakteristik radyasyon enerjisini değerini içeriği ( kalitatif analiz yoğunluğu (spektrum Peaks'e yüksekliği) olanak sağlarken okudu örneğinde içerdiği öğeleri tanımlamasını sağlar Şekil 4 c).

Şekil 5 düzgün çok odaklı pirolitik grafit (HOPG) ve cam wettabilities için başvurulan kişi açıları nanopores OMC (şekil 5A) ve SBA-15 (şekil 5B), içinde ölçümlerin sonuçları gösteriyor yüzeylerde, anılan sıraya göre. Bir ideal olarak yumuşak silika yüzey cam ve HOPG grafit pürüzsüz grafit yüzeyi olarak kullanılmıştır. Ölçülen kişi açıları mikroskobik ıslatma parametresi αw hem düzgün düzlemsel silis, grafit yüzey ve kaba nanoporous malzemeler için bir fonksiyonu olarak gösterilir. Bu silis ve grafit yüzeylerde (şekil 5A, B) üzerinde sıvılar için α w değerleri üzerinde aşağıdaki denklemi dayalı bulunabilir.

Equation 3(3)

Burada,
εfw, εff enerji denizin Lennard-Jones potansiyel; =
σfw = Lennard-Jones potansiyel; çarpışma uzunluğu
ρw = birim hacim; başına katı atom sayısı
Δ = substrat ayıran katmanlar arasında mesafe.

Bu değerleri önceden yayınlanmış edebiyat22,23,24alınır. Wettability ölçüm adsorbate/adsorbent etkileşimleri karakterizasyonu sağlar. Potentiometric titrasyon ve EDX analizi ile birlikte wettability ölçümü verilen örneği yüzey özelliklerini tam bir açıklamasını sağlar. Düşük kişiyi açı, Penetran sıvı molekül etkileşim okudu yüzeyi ile daha güçlü (5A rakam, B) olduğu anlamına gelir daha yüksek wettability.

Şekil 6 pürüzlülük kesirler f mikroskobik ıslatma parametresi için nanoporous karbon (OMC; Cassie-Baxter modeli25vs hesaplanan gösterir Şekil 6A) ve silis (SBA-15; Şekil 6B) matris. Biz sert yüzeylerde ıslatma Cassie-Baxter mekanizması (sıvı damlacık boşluklar nüfuz etmez ama [ 5A rakam, B, insets gösterildiği gibi üst kısmında usulsüzlük olurYani, göre oluşur varsayıyorum ]). Bu modelde, sert yüzey θp iletişim açı olarak tanımlanmaktadır: 

cosθp = f(1 + cosθ) - 1 (4)

Burada,
Θ = kişi açı değeri üzerinde düzgün gözeneksiz substrat (cam);
f = sıvı arayüzü ile doğrudan temas halinde olan gözenekli yüzey bir bölümüdür.

Bu kişi açı ölçüleri gözenekleri örnek yüzey ile sıvı molekülleri yorumlamak için bir düzeltme faktörü gibi davranan pürüzlülük kesirler f (Denklem 4) değerlendirirken değer var.

Şekil 7 deuterated su çalışılmış örnekleri OMC (şekil 7A) ve SBA-15 (şekil 7B) sınırlı Dielektrik spektroskopi sonuçları sunar. Bunlar her iki örnekleri (şekil 7A, B) için elektrik kapasitesi C sıcaklık bağımlılıklara göstermektedir. Polar madde katı hal, onların orientational polarizasyon kaybolur ve Dielektrik sabiti ε n maddenin Kırılma indisi nerede n2, eşittir. C-T eğrileri görünür keskin artış sistemde meydana gelen erime faz geçişleri gösterir. C-T işlevi anormal artış sıcaklığını hem toplu sıvı melting point ve erime noktası belirlenmesi okudu örnek gözenekleri sağlar.

Figure 1
Resim 1: Deneysel N2 adsorpsiyon/desorpsiyon izoterm arsa 77 K ve porozite dağıtımcılar tarafından Barrett, Joyner ve Halenda yöntemi (BJH)7,26,27. (A ve B) nanoporous karbon malzeme ve (içinC ve D) silis SBA-15 malzeme. Azot isotherms karakteristik histeresis döngüleri, şekli hakkında bir bilgi sağlayan göstermek ve boyutu dağıtımları okudu gözenek gözenek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: sipariş edilen nanoporous kanal yapısı gösteren TEM görüntüler. (A - C) nanoporous karbon çeşitli büyüklüklerde (001) yönünde boyunca görüntülerini TEM. (D - E) SBA-15 yapısını. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: Potentiometric titrasyon sonuçları OMC ve SBA-15 (pH bağımlılığı yüzey şarj yoğunluğu). PH yüzey ücret yoğunluk bağımlılığının elektrokimyasal karakter her iki malzeme farklılıkları gösterir; pzc noktası örnek yüzeyinde asit sitelerin sayısı hakkında bilgi sağlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: TEM - EDS spectra ve EDS analiz örnekleri. (A ve B) EDS spectra iki farklı alanlarda kaydedilen OMC örnek için işaretlenmiş TEM görüntü. (C) EDS spectra ve kantitatif analiz sonuçlar SBA-15 örneği. Nicel bir EDS incelemenin sonuçlarını fonksiyonel gruplar için yüzey reaktivitesi sorumlu unsurların varlığı hakkında bilgi vermek; Bu potentiometric titrasyon için tamamlayıcı bir tekniktir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: Mikroskobik ıslatma parametre ölçülen gözenekli matris içinde vs iletişim açılar. (A) nanoporous karbon (OMC) ve (B) silis (SBA-15) matris, için kişi açıları vs mikroskobik ıslatma parametre fonksiyonu düzgün HOPG ve cam yüzeylerde, sırasıyla başvurulan. Gözenekleri içinde wettability wettability düz yüzeylerde başvurduğu ve adsorbate/adsorbent etkileşimleri üzerinde gözenek pürüzlülük etkisi hakkında bazı bilgiler sağlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: Pürüzlülük kesirler f mikroskobik ıslatma parametre Cassie-Baxter modeli vs hesaplanır. (A) nanoporous karbon (OMC) ve (B) silis (SBA-15) matris için. Bir uygulama wettability Cassie-Baxter modelinin kaba gözenekli yüzeyler üzerinde kişi açıları yorumu sağlar. Bu modelden hesaplanan f kesirler sıvı yüzeyi ile doğrudan temas halinde olan katkıları gözenekli duvardaki yüzdesini tanımlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7: Sıcaklık bağımlılıklara OMC ve SBA-15 gözenekli matris içinde sınırlı D2O su elektrik kapasitans,. (A)OMC ve (B) SBA-15 gözenekli matris. C-T işlev yorumlanması gözenekleri ve okudu sisteminde meydana gelen toplu D2O faz geçiş sıcaklığını tanımlamasını sağlar. C-T işlevi kurşun erime noktası artış her ikisi için de bir artış su toplu ve gözenekleri içine su sınırlı. Gözenekler toplu göre vardiyada erime noktası'nın ana bilgisayar/konuk moleküler etkileşimler üzerinde bağımlı bir değerdir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Örnek Yüzey alanı (Sbahis)bir  Gözenek hacmi Gözenek boyutu dağılımı
(m2/g) (cm3/g) (nm)
SToplam Smikrofonb VToplamc Vmikrofonb Dhd Dmo (NLDFT)e Dmo(BJH)f
OMC 757 23 0,87 0,006 4.6 0,4 3.9
SBA-15 460 16 0,6 0,004 5.3 * 5.5

Tablo 1: sipariş edilen nanoporous karbon ve SBA-15 silis gözenekli yapısını açıklayan dokusal parametrelerinin değerlerini N hesaplanan 2 emilimi isotherms. bir BAHİS yüzey alanı (P/P0) göreli basınçta deneysel noktaları kullanılarak hesaplanan 0.035 - 0.31, nereye P ve P0 nitrojen dengesi ve doygunluk basınç gösterilir. b Yüzey alanı ve hacmi ile donatılmış bir istatistiksel kalınlık 4,86 için 3,56 aralığında t-arsa yöntemiyle hesaplanan micropores gözenek Å. ctoplam gözenek hacmi hesaplanan 0,0015468 x P/P0 adsorbe azot miktarı tarafından 0,99 =. d BAHİS hesaplanan hidrolik gözenek çapı yüzey alanları ve birimleri denklemi göre gözenek: Dh = 4V/S. e Gözenek çapı yerel olmayan yoğunluğu fonksiyonel teorisi (NLDFT) PSD en fazla tahmin. NLDFT hesaplamalar 0,001 negatif olmayan bir regularization ve gözenekleri silindirik geometrisini karbon porozite bir model olarak kullanarak gerçekleştirilen. f Gözenek çapı BJH yönteminden (adsorpsiyon ve desorpsiyon veriler için aynı sonuçları) tahmini. * Gözenek çapı SBA-15 NLDFT yönteminden tahmini değerleri eksikliği. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Sipariş edilen mesoporous karbon malzeme hazırlanması sırasında kritik adımlar sıralı mesoporous silis malzeme hazırlama son malzemelerin özellikleri etkileyen iyi tanımlanmış yapısal özellikleri ile şablon olarak içerir ve bir Meneviş Fırınları/kömürleşme adım azot atmosferi altında. Mesoporous hazırlanması tipik yöntemi modifikasyonu Silikatlar silindirik gözenekleri28 endişeleri ile yapısal geliştirilmesi için PE10500 polimer untypical bir yapısı yönetmenlik Ajan uygulanması emretti. malzeme özellikleri. Şablon üç boyutlu, birbirine bağlı ve istikrarlı gözenekli yapısı mesoporous karbon malzemeleri hazırlanması için gereklidir. Ayrıca, önemli bir dezavantaj hazırlık şablonu kaldırma için örnek tedavinin temel gereksinimdir. Bu adımda kullanılan kimyasalların özelliklerini karbon yüzey ve işlevselliğini etkileyebilir. Göre sunulan strateji, OMC negatif çoğaltma hazırlanması sıralı mesoporous katı şablona dayalıdır. Gözenek boyutu denetimi ve simetrik sipariş sadece silis şablonu kullanarak belirlenir ve karbon habercisi ve şablonu arasındaki etkileşim ile ilişkili değildir. OMC potansiyel çeşitli elektrokimyasal sistemler için edebiyat29,30' belirtti. Bu çalışmada sunulan emprenye mekanizması facile işleminin tam olarak silis şablon negatif yapısını çoğaltmak sorumludur. Zor şablon yordamı doğası pyrolysis olayları düzenli ve sipariş edilen yapısı daha az hasar neden sağlar. Ayrıca, bu yöntem bir daha kolay graphitization katı şablonu içinde oluşan OMC malzemelerin olanak sağlar.

Deneysel N2 adsorpsiyon/desorpsiyon (şekil 1A, C) izoterm porozite boyutunu ve türünü hakkında ön bilgi edinmek için kullanıldı. Malzemenin nanoporous karakter açıkça doğrulandı. Sürecinde (0.03 aşağıda göreli basınç aralığı) ve onun önemli artış (özellikle de mesopores aralığı) göreli basınç daha fazla aralığındaki ilk aşamasında adsorbe azot miktarı küçük bir artış gösterir çok sayıda mesopores ve olmaması veya çok az sayıda, micropores varlığını. Bu malzeme elde adsorpsiyon-desorpsiyon isotherms hangi ara göreli bir keskin kapiller yoğunlaşma aşamada karbon mesoporous kanal sistemiyle doğru bir yansımasıdır türü-IV (IUPAC sınıflandırma31), tipik Basınç (0,45 - 0.9 P/P0). Kapiller yoğunlaşma adım konumunu mesopores birincil boyutuna karşılık gelen (yaklaşık 4-5 nm). İncelenen karbon örnek aynı zamanda bir yüksek belirli yüzey alanı (757 m2·g-1) ve önemli gözenek hacmi (0,87 cm3·g-1) sergiler.

Çok hassas kitle örnek belirlenmesi adım azot adsorpsiyon/desorpsiyon ölçümler sırasında kritik adımlar ve yeterince adım degas. Ölçüm müdahalede uygun kurallarına göre. Yüzey alanı ve gözenek büyüklüğü dağılımı tayini physisorption ölçümleri dayalı olmasına rağmen deneysel isotherms yorumlanması her zaman doğrudan değil.

Mesopores boyutu dağıtım hesaplaması sırasında (teorik temeli olan) değiştirilmiş Kelvin denklemi uygulama tarafından bu iyi tanımlanmış şeklin katı gözenekleri varsayımı gereklidir. Ayrıca, Kelvin denklem geçerliliğini ve isotherms üzerinde histeresis döngüleri yorumlanması dizi çözülmemiş sorunlar kalır. Kolaylaştırma olanağı ampirik yöntemlerinden birini izoterm analiz uygulamayla ilgili (örneğin,αs-yöntemi29,30,31,32, 33,34). Ancak, bu şekilde gözeneksiz başvuru malzemeleri ile elde edilen adsorpsiyon veri kullanımı gerektirir.

Şekil 1B D mesopores boyutu dağıtımları çalışılmış örnekleri (PSD) sunar. BJH teorisi varsayımı mesopores boyut dağılımının belirlenmesi izin. SBA-15 gözenekleri yaklaşık 5 büyüklüğündeki sahip, ancak şekil 1B adımında sunulan PSD eğrisi karbon örnek mesopores 3.5-4 nm, boyutlarda bulunan öneriyor nm (bkz. şekil 1 d). İlginçtir, OMC örnek için gözenek boyutu dağılımı eğrileri maxima adsorpsiyon hesaplanır ve desorpsiyon veri çok benzerdir. Olayların, adsorpsiyon ve desorpsiyon farklı mekanizmalar görünümünde sonuçları arasında doğru anlaşma gibi bir çok sıralı ve tek tip doğa malzemenin kanıt. Deneysel isotherms belirlenen dokusal özellikleri Tablo 1' de özetlenmiştir.

Fiziksel adsorpsiyon/desorpsiyon analizlere dayalı gözenek ağ yapısının özelliklerini nanopowders ve Nanomalzemeler karakterizasyonu için temelidir. Azot adsorpsiyon/desorpsiyon yöntemleri gözenekli ve mesoporous katı karakterizasyonu ilk aşamasında olarak kabul edilebilir. Bu yöntem, genel olarak, Bütün sınıfların gözenekli organları veya malzeme örnekleri için geçerlidir ve gözenekli yapıları isotherms ve doğrudan doğruya--dan deneysel ölçüm histeresis döngüleri şekiller temelinde bir tahmin sağlar. Azot adsorpsiyon/desorpsiyon gözenekli yapısı belirlenmesi (sıvı izinsiz giriş35 ve ışık, x-ışını ve nötron saçılma36,37 ve mikroskopi32) diğer yöntemleri yanında en önemlidir ve yararlı yöntem nedeniyle geniş uygulanabilirliği ve sonuçlarının karşılıklı karşılaştırılabilir.

Azot gaz adsorpsiyon yöntemiyle gözenek karakterizasyonu için standart adsorptive gaz moleküldür. Bu örnek hakkında yeni bilgiler elde etmek için ve gözenekli malzeme karakterizasyonu için diğer tip molekülleri (karbon dioksit, Kripton, argon) kullanmak mümkündür.

İncelenen örnekleri OMC ve SBA-15 TEM Filmler Şekil 2' de sunulmuştur. Onlar mesopores, son derece düzenli bir sistem teyit paralel ve çok benzer gözenekli kanalları ve bir karbon çubuk şeklinde yapısıyla gözenek boyutu ~ 11 nm (şekil 2A-C) oluşan. OMC TEM Filmler doğruladı gözenekleri ilk nanoporous silika habercisi ve gözenek çapı 4.0 çubuklar arasındaki ters kopyası bir sonucu olarak bir Altıgen simetri nm. SBA-15 örnek mesopores iki boyutlu düzenli altıgen yapısını gösterir; SBA-15 iyi yapısını nanoporous kanalları ve dik onlara (şekil 2B, E) ile birlikte her iki projeksiyonlar görülmektedir. Bu gözlemler (bkz. Tablo 1) deneysel azot MPa'dan verilerden elde edilen değerler ile iyi anlaşma bulunmaktadır. Transmisyon elektron mikroskobu ışık mikroskobu daha küçük de Broglie dalga boyu elektronlar nedeniyle daha yüksek çözünürlükte verebilmektedir. Bu kez bir ışık mikroskobu görülen çözülebilir bir nesne daha küçük binlerce ayrıntılarını yakalamak için bize sağlar. Işın numune aktarılırken Bu yöntemde, görüntü elektronlar arasındaki etkileşimin örnek ile gelir. Bu nedenle, yönteminin sınırlamalarını numune ultrathin bir film az 100 olmalıdır biridir nm kalın veya bir ızgara üzerinde uygulanan bir süspansiyon. TEM üzerinde tarama transmisyon elektron mikroskop (kök) tarafından geliştirilebilir. Raster görüntü oluşturmak için örnek arasında ışın olacak uygun dedektörleri ile birlikte bir sistem ekleme tarafından mümkün olmalıdır.

OMC (Yani, aşağıda Toplam yüzey karbon partikülleri ile tahsil edilir olumlu pH değeri) sıfır noktası ücretten pH pH bulundu = 10 (şekil 3). Karşılaştırma için sıfır noktası şarj SBA-15 malzemenin pH yaklaşık 4.5'e eşittir. Potentiometric titrasyon sonuçlar SBA-15 malzeme göstermek pHpzc daha düşük pH değerleri doğru bir kayma SBA-15 yüzeyi asit bazı merkezlerinin varlığına dair. Olumsuz ücret siteleri silis matris adsorptive özelliklerinin iyileştirilmesi adsorbent/adsorbate molekülleri SBA-15 matris arasındaki Van der Waals etkileşimler artırın.

Potentiometric titrasyon ölçüm sırasında kritik adımlar titrant süspansiyon için çok hassas eklenmesi ve karıştırma sürekliliğini içerir. Potentiometric titrasyon yordam en güvenilir sonuçlar alabilmek için otomatiğe. Bir adım daha önemli ve benzersiz deneysel koşullar ve hesaplamalar kontrol etmek için özel yazılım uygulama oldu. Bu yöntem pH elektrodu ve gerek bir kararlı atmosfer (örneğin, azot) ve sıcaklık sağlamak için kalibrasyon adımında kısıtlamasıdır. Potentiometric titrasyon bir asit/baz titrasyonu prosedür olarak kategorize edilebilir. Bu teknik ölçümleri voltaj değişikliği üzerine titrant ek adımlar gerektirir. Gerekli olan birçok alanlarda, özellikle de eczacılık ve işlevsel malzeme çalışmaları yüksek saflıkta elde etmek için bir adapte edilebilir, uygun fiyatlı ve son derece hassas teknik sağlar. Aslında, potentiometric titrations türleri vardır. Örneğin, asit-baz, redoks, yağış ve complexometric teknikler vardır. Potentiometric titrations otomatik olarak fark gibi örnek karakterizasyonu için daha fazla kapasitesi sağlar.

Pzc elektrolit titrasyon eğrisi ve karbon malzeme, aynı zamanda yüzey şarj yoğunluğu eğrisi ile eksen kesişimi için kaydedilen titrasyon eğrisi olarak belirlenir. Araştırdık, sipariş nanoporous karbon malzeme oksijen Fonksiyonel grupların varlığı ile ilgili temel özellikler vardır sonucu göstermektedir (-OH ketonic, pyronic yüzük, chromenic ve π-elektron sistemleri terminal grupları)38,39 ,40,41. Karbon yüzey temel özelliklerinin bir sonucu ilerici yıkım ve asidik oksijen fonksiyonel gruplar (örneğin, carboxyls, lactones ve fenoller) kaldırılması neden olur ve böylece, karbon yüzey Basic zenginleştiren bir Termal tedavi olabilir fonksiyonel gruplar42. Bu temel sitelerin bir sonucu asidik sitelerin sayısı aynı anda azalma ve oksijen içeriği doğrudan asit ile ilişkili bir azalma oldu. Oksijen içeriği TEM-EDS tarafından doğrulandı.

TEM-EDS spectra resimler örnek iki farklı alanlardan OMC yüzey şekil 4A, Bgörüntülenir. Oksijen ve Silisyum atomları OMC yüzeyinden baskın karbon miktarını rağmen tespit edildi. Atomik ve insets sunulan ve örnekleri, farklı bölgelerinden elde edilen öğeleri ağırlık yüzdesi benzer ve yaklaşık %98 karbon oluşur ve kompozisyon sadece biraz daha fazla % 1 oksijen atfedilebilecek olduğunu gösterir. EDS microanalysis OMC yüzey temel karakter genellikle asidik işlevselliği olan çok az sayıda oksijen içeren fonksiyonel grupları ile ilişkili olduğunu önerebilir miyim? Ayrıca, temel fonksiyonel grupları karbon malzemeleri hydrophilicity büyüyen için sorumlu olabilir. Silis matris bir EDS spektrum SBA-15 (şekil 4 c) oksijen ve silikon bereket ana katkısını onaylar. EDX numune atomik kompozisyonu belirlemek teknikleri biridir. Bir XPS yöntemi gibi kimyasal bilgileri (örneğin, oksidasyon devlet, kimyasal bağları), vermez. Sadece oksijen varlığını algılayabilir ama quantitate olamaz beri kantitatif analiz için EDX ışık elemanları (e.g.,like oksijen) için uygun değildir. Bu yöntem sadece ince tabakalar (birkaç mikron veya daha az) yüzey üzerinde çalışır ve kirlenme numune içinde oldukça hassastır.

Şekil 5 A, B kişisinin sonuçları silis üzerinde ölçümler çeşitli sıvılar için açı ve karbon yüzeyler sunulmaktadır; Biz sistemleri wettabilities geniş bir yelpazesi ortaya görebilirsiniz. Uygulanan yüzeylerde pürüzsüz ve planar ikisidir, yani silika ve karbon yüzeyler, diğerleri pürüzlülük göstermek ve mesopores içerir. Ölçülen kişi açıları vssunulmaktadır mikroskobik ıslatma parametresi, αw. Bu parametre sıvı-gözenek duvar cins etkileşimleri iki sıvı molekülleri22,23,24etkileşimleri arasındaki oran olur. Bu nedenle, bu ıslatma özellikleri nano - ve macroscales ölçer. αw parametre iletişim açının monoton bir işlevi olduğu gösterilmiştir. Ölçümler, değerleri roughnessare o okudu sıvılar, türü ne olursa olsun düzgün düzlemsel yüzeyler için daha yüksek ile yüzeyler için kişi açıların göre nonwetting andwell-ıslatma sıvılar da dahil olmak üzere.

Bu sonuçlar gözenekli duvarlar nanorough yüzeylerinde wettability Cassie-Baxter mekanizmasının öneririz. Ayrıca, Silis içinde çeşitli sıvılar için kişi açıları ölçülür ve karbon nanopores silika duvarlar daha iyi wettability karbon duvarlar daha belirtmek ve sıvı/duvar etkileşimleri üzerinde gözenek pürüzlülük etkisi daha silis için telaffuz edilir daha karbon nanopores için. Kapiller yükselişi yöntemi iletişim açıları ve tozlar içinde küçük parçacıkların wettability belirlemek için kullanılır. Düz düz bir yüzey için açı ölçüleri başvurmanız sesil bırak yöntemini ve Wilhelmy plaka yöntemi, gibi birçok teknik uygulanır. Kapiller yükselişi yönteminin kullanımı dört koşulları memnuniyeti sürecinde varsayar (Yani, Washburn'ın denklem temel alınarak dört bu varsayımlar türetilmiştir): (1) sabit Laminer akış, (2) (3) ihmal edilebilir bir dış basınç yokluğu yerçekimi kuvveti ve (4) sıvı, katı-sıvı arayüzey hareket etmez. Hidrostatik basınç kapiller basınç çok daha küçüktür; Bu nedenle, kapiller basınç sıvı tüp yukarı doğru yükselmeye neden olur. Wettability çalışmalar küçük parçacıkların her zaman hassasiyet ve tekrarlanabilirlik sonuçları dikkate almak zorundayım.

Tomeasure doğru bir şekilde küçük parçacıklar, basınç artışları ve hidrostatik etkileri temas açısı Washburn'ın denklem dikkate daha doğru bir şekilde zaman ve basınç artışı arasındaki ilişkiyi açıklamak için alınmalıdır.

Şekil 6AiçindeB, biz (sıvı arayüzü ile doğrudan temas halinde bir gözenekli yüzey parçası açıklayan) kesir f , mevcut f tanımlanan = (1 + cosθp) / (1 + cosθ). 0.73 (H2O) 0.92 (OMCTS) için silis matris için dizi ve 0,82 (H2O) 0,93 (OMCTS) karbon matris için dizi değerleri alır. Ayrıca, kesir f tekdüze ıslatma kaba yüzeyler üzerinde Cassie-Baxter modelinin onaylar artan αw parametresi artar.

Bu sonuçlar, Cassie-Baxter modeli çerçevesinde ele nanosurfaces için microroughness etkisi büyük ölçüde sıvı-duvar etkileşimleri değişiklikleri etkiler gösterir.

D2O SBA-15 ve OMC matrisler doğumdan etkileri ile karşılaştırılabilir gözenek boyutu 5 gözenekli yüzeylerde karakter etkisini araştırmak için nm, Dielektrik yöntemi kullanılmıştır. Kapasitans C sıcaklık bağımlılığının T keskin bir artış gösterir OMC ve SBA-15 Isıtma üzerine şekil 7A ve şekil 7B, sırasıyla, sunulan yer su elektrik kapasitesi sonuçlarını gösterir = 260 K, adsorbe D2O SBA-15 gözeneklerin içinde erime için karşılık gelen ve T = 246.1 K, OMC gözenekleri içinde adsorbe su erime anlamına gelir. Her iki sistem için t C(T) fonksiyonu bir artış dikkat 276.5 K, deuterated toplu su Erime noktasına verilen =. Çünkü örnekleri aşırı sıvı olması ile doldurulmuş gözenekli matrisler süspansiyon olarak çalıştım gözlenen sinyalleri toplu ve sınırlı sıvı ile ilgili. Toplu olan için göreli, D2O SBA-15 gözenekleri içinde erime sıcaklığı ΔT tarafından bastırılırsa = Tm, gözenek− Tm, toplu OMC iken, ΔT için =-16,5 K-30.4 K. =

Bu sonuçlar gözenek duvar çeşitli yapılardan gelin. Gözenekleri Tm, gözenek erime sıcaklığı iki değişkenine, yani H gözenek boyutu ve wettability parametre αwbağlıdır. Küçük αw değerler için (αw < 1), depresyon Tm, gözenek bekleniyor. Gözenek genişliği H aynı ise, sistemin αw değeri değişikliğini Tm, gözenekdeğişikliği etkiler. Her iki sistem αw değeri azalır göre o pürüzsüz Yüzey pürüzlülük etkileri nedeniyle okudu gözenekleri wettability sonuçlarını göster. We dalmış wettability çalışmalarını gözenekleri γl= cosθp D için2O OMC daha az (We 4,2432 = [mN/m]) daha SBA-15 (We 20,968 [mN/m] =), hangi D2O SBA-15 sistemi için göre bu sistemdeki erime noktası yüksek bir depresyona yol açar.

Elde edilen sonuçlar yapışma etkileri gözenekli silis duvara göre bu karbon duvardaki bir düzelme gösterir. Bu yöntem için çalışılmış örnekleri uygulandığında bazı sınırlamalar vardır. C(T) fonksiyon kaydını toplu sıvı ve gözenekleri sınırlı sıvı sinyalini içerir aslında onlardan biri geliyor. Bu nedenle, sınırlı nonpolar sıvı sinyalini zayıftır ve erime sıcaklığı belirlemek zordur. Gelecekte, bunun yanı sıra bazı ek yöntemleri birleştirerek değer var. (örneğin, diferansiyel Kalorimetre yavaş Isıtma hızı üzerinde tarama veya olmadan herhangi bir sıvı konsantre örnek almak için örnek centrifuging). Ayrıca, iletken örnekleri için politetrafloroetilin plaka kullanmaya gerek yoktur. Bir avantaj Dielektrik spektroskopisi yönteminin yöntem çok, araştırma, cam geçişler ve zaman-ölçek moleküler hareketleri, gibi birçok alanda kullanılan gerçek şu ki burada zaman uzunluğu ise femtoseconds nanosaniye için onlarca. Bu nedenle, Frekanslar megahertz terahertz için değişen sağlamak önemlidir. Durumlarda elde edilen spectra veya yorumu ve kantitatif analiz sonuçlarının ayrışma gibi bu teknik daha yaygın spectroscopies benzer. Ancak, Dielektrik yöntemi toplu dalgalanmaları ile kalıcı dipol biraz (polar sıvılar) moleküllerinin inceler. Örneğin, her ne kadar toplu modları yönünde duyarlılık Dielektrik spectra yorumlanması engelleyebilir kızılötesi spektroskopi ek tamamlayıcı bilgi sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Yazarlar Ulusal Merkezi verme ile mali destek sağlamak için bilim teşekkür etmek istiyorum yok. DEC-2013/09/B/ST4/03711 ve UMO-2016/22/ST4/00092. Yazarlar da Polonya operasyonel Program İnsan sermayesi PO KL 4.1.1, de kısmi destek için minnettar tarihinden itibaren Ulusal Merkezi araştırma ve geliştirme, araştırma altında vermek yok. PBS1/A9/13/2012. Yazarlar özellikle, onun iyilik ve SBA-15 nanopores wettability ölçümleri sağlayan Prof. Dr. L. Hołysz Interfacial olaylar bölümü, kimya Fakültesi, Maria Curie-Skłodowska Üniversitesi, Lublin, Polonya için minnettarız.

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

Kimya sorunu 145 Nanoporous karbonlar Cassie-Baxter modeli wettability değiştirilmiş Washburn denklem mikroskobik ıslatma parametresi azot adsorpsiyon/desorpsiyon isotherms potentiometric titrasyon asit
Silikat Matrisler ve sentezlenmiş Nanoporous karbon yüzey özellikleri
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