Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Ytans egenskaper av syntetiserade nanoporösa kol och kisel matriser

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

Här rapporterar vi syntes och karakterisering av beställda nanoporösa kol (med 4,6 nm porstorlek) och SBA-15 (med 5,3 nm porstorlek). Arbetet beskrivs ytan och textural egenskaper av nanoporösa molekylsiktar, deras vätbarheten och smältande beteendet D2O begränsas i materialen.

Abstract

I detta arbete, rapporterar vi syntes och karakterisering av beställde nanoporösa carbon materialet (även kallad beställda mesoporous carbon material [OMC]) med 4,6 nm porstorlek och beställda kiseldioxid porös matris, SBA-15, med porstorlek 5,3 nm. Detta arbete beskriver ytegenskaper av nanoporösa molekylsiktar, deras Vätbarheten, och smältande beteendet D2O trångt i de annorlunda beställda porösa material med liknande porstorlek. För detta ändamål syntetiseras OMC och SBA-15 med mycket beställda nanoporösa strukturer är via impregnering av kiseldioxid matrisen genom att tillämpa en kol-föregångare och enligt sol-gel, respektive. Den porösa strukturen av undersökta system kännetecknas av en N2 adsorption-desorption analys på 77 K. För att avgöra den elektrokemiska karaktären av ytbehandla av syntetiskt material, genomförs potentiometrisk titrering mätningar; de erhållna resultaten för OMC visar en betydande pHpzc förskjutning mot högre värden för pH, i förhållande till SBA-15. Detta tyder på att undersökta OMC har ytans egenskaper relaterade till syre-baserade funktionella grupper. För att beskriva ytegenskaper av material, bestäms också kontakta vinklarna för vätskor tränger de studerade porösa bäddar. Metoden kapillär stiga har bekräftat den ökade Vätbarheten av kiseldioxid väggarna i förhållande till kol väggarna och en påverkan av pore ojämnheter på vätska/vägg växelverkan, som är mycket mer uttalad för kiseldioxid än för kol mesopores. Vi har också studerat beteendet smältande D2O begränsas i OMC och SBA-15 genom att tillämpa dielektriska metoden. Resultaten visar att depression av smälttemperatur D2O i porerna i OMC är ca 15 K högre i förhållande till depression av smälttemperatur i SBA-15 porer med jämförbar 5 nm storlek. Detta orsakas av påverkan av adsorbate/adsorbent interaktioner av studerade matriserna.

Introduction

1992 erhölls beställda nanoporösa kiseldioxid material för första gången, med en organisk mall; sedan dess har ett stort antal publikationer relaterade till olika aspekter av dessa strukturer, syntetiska metoder, undersökning av deras egenskaper, deras ändringar, och olika applikationer har dykt upp i litteraturen1,2 ,3. Intresset för SBA-15 nanoporösa kiseldioxid matrix4 är på grund av sin unika kvalitet: en hög yta, breda porer med en enhetlig pore storlek distribution och goda kemiska och mekaniska egenskaper. Nanoporösa kiseldioxid material med cylindriska porer, t ex SBA-155, används ofta som en porös matris för katalysatorer som de är effektiva katalysatorer i organiska reaktioner6,7. Materialet kan syntetiseras med ett brett utbud av metoder som kan påverka deras egenskaper8,9,10. Därför är det avgörande att optimera dessa metoder för potentiella tillämpningar inom många områden: elektrokemisk enheter, nanoteknik, biologi och medicin, drog leverans system, eller i vidhäftning och Tribologi. I denna studie, två olika typer av nanoporösa strukturer presenteras, nämligen kisel och kol porösa matriser. För att jämföra deras egenskaper, SBA-15 matrisen syntetiseras med metoden sol-gel och beställda nanoporösa carbon materialet bereds genom impregnering av resulterande kiseldioxid matrisen med en carbon föregångare.

Porösa kolmaterial är viktiga i många apparater på grund av deras höga yta och deras unika och väldefinierade fysikalisk-kemiska egenskaper6,11,12. Typiska beredning resulterar i material med slumpmässigt distribuerade porositet och en oordnade struktur; Det finns också en begränsad möjlighet för ändringen av allmänna pore parametrarna, och således strukturer med relativt bred pore storlek distributioner erhålls13. Denna möjlighet är breddat för nanoporösa carbon material med hög ytor och beställt system av nanopores. Mer förutspådde geometri och mer kontroll av de fysikalisk-kemiska processerna inuti den pore utrymmet är viktigt i många applikationer: som katalysatorer, separation mediasystem, avancerade elektroniska material och nanoreactors i många vetenskapliga fält14 , 15.

För att få de porösa kol replikerna, kan de beställda silikater fungera som en solid matris som kol prekursorer införs direkt. Metoden kan delas in i flera etapper: valet av beställda kiseldioxid material; nedfall av en kol föregångare i en kvarts matris; förkolning; sedan, avlägsnande av matrisen kiseldioxid. Många olika typer av kolhaltiga material kan erhållas genom denna metod, men inte alla nonporous material har en ordnad struktur. En viktig del av processen är valet av en lämplig matris vars nanopores måste bilda en stabil, tredimensionella struktur16.

I detta arbete utreds påverkan av typ av pore väggar på ytegenskaper av syntetiserade nanoporösa matriser. Ytegenskaper av OMC material reflekteras av ytegenskaper av kvarts analoga (SBA-15) av OMC. Textur och strukturella egenskaperna för båda typerna av material (OMC och SBA-15) kännetecknas av låg temperatur N2 adsorptions mätningar (på 77 K), transmissionselektronmikroskopi (TEM) och energy dispersive X-ray analys ( EDX).

Låg temperatur gas adsorptions mätning är en av de viktigaste teknikerna under karakterisering av porösa material. Kvävgas används som en adsorbate på grund av dess hög renhet och möjligheten för att skapa en stark växelverkan med solid adsorbents. Viktiga fördelar med denna teknik är användarvänlig kommersiell utrustning och relativt enkel databehandling förfaranden. Bestämning av kväve adsorptions isotermerna bygger på ackumulation av adsorbate molekyler på ytan av fast adsorbent på 77 K i ett brett utbud av trycket (P/P0). Barrett, Joyner och Halenda (BJH) förfarandet för att beräkna fördelningen av por-storlek från experimentell adsorption eller desorption isotermerna tillämpas. De viktigaste antagandena för metoden BJH inkluderar en plan yta och en jämn fördelning av adsorbate på den undersökta ytan. Men denna teori är baserad på Kelvin ekvationen och det är fortfarande det mest använda beräkningssätt för fördelningen av por-storlek i intervallet mesoporous.

Utvärdera den elektrokemiska karaktären av proverna, tillämpas en potentiometrisk titrering metoden. Ytkemi av material beror på den ytladdning relaterade till förekomsten av heteroatomer eller funktionella grupper på ytan. Ytegenskaper utreds också av kontaktvinkel analys. Vätbarheten hos preparat inne i porerna ger information om de adsorbate-adsorbent interaktionerna. Påverkan av väggen ojämnheter på den smältande vattentemperaturen begränsas i båda proverna studeras med dielektriska avslappningsteknik spektroskopi (DRS). Mätningar av Dielektricitetskonstant tillåta utredning av smältande fenomen som polariserbarheten vätska och fasta faser skiljer sig från varandra. En förändring i sluttningen av temperaturberoendet för kapacitansen visar att smältning sker i systemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. beredning av OMC material

  1. Syntesen av en kvarts matris som OMC föregångare
    1. Förbereda 360 mL 1,6 M HCl genom att tillsätta 50 mL HCl (36% - 38%) i en 500 mL-kolv för runda-botten och, sedan, lägga till 310 mL ultrarena vatten (resistivitet av 18,2 MΩ·cm).
    2. Att lägga till 10 g av PE 10500 polymer (6.500 g/mol).
    3. Placera kolven i ultraljudsbad. Värm lösningen till 35 ° C och rör om tills den fast polymeren är helt upplöst, att göra en homogen blandning.
    4. Tillsätt 10 g av 1,3,5-trimethylbenzene till kolven och rör innehållet (på en omrörningshastigheten av 220 rpm) genom att upprätthålla det vid 35 ° C i vattenbadet.
    5. Efter omrörning för 30 min, tillsätt 34 g tetraethyl orthosilicate (TEOS) till kolven. Lägg till TEOS långsamt och droppvis under konstant omrörning. Se till att det tar 10 min att lägga till 34 g av TEOS.
    6. Rör om lösningen blandningen igen för 20 h vid samma temperatur (35 ° C).
    7. Överför innehållet i kolven in en polytetrafluoreten kassetten och placera det i en autoklav. Lämna lösningen i 24 timmar vid 90 ° C.
    8. Filtrera den resulterande fällningen, använder en Büchner tratt, och tvätta med destillerat vatten med minst 1 L.
    9. Torka den erhållna fast vid rumstemperatur och tillämpa en termisk behandling av provet vid 500 ° C med en muffelugn i luften atmosfär för 6 h.
  2. Impregnering av resulterande kiseldioxid matrisen, med hjälp av en kol-föregångare
    1. Förbereda impregnering lösningar (IS1 och IS2) med lämpliga proportioner vatten, 3 M svavelsyra (VI), och socker (glukos), där glukos spelar rollen av kol föregångare och sulfuric syra fungerar som katalysator.
      FÖRSIKTIGHET: Svavelsyra är mycket giftigt, det orsakar allvarliga frätskador på hud och ögon.
      1. Förbereda IS1. För varje gram kiseldioxid, blanda 5 g vatten, 0.14 g 3 M svavelsyra (VI) och 1,25 g socker.
      2. Förbereda IS2. För varje gram kiseldioxid, blanda 5 g vatten, 0,08 g 3 M svavelsyra (VI) och 0,75 g socker.
    2. Placera kiseldioxid materialet (1 g) och den beredda lösningen IS1 kol föregångaren och katalysator i en 500 mL mätkolv. Värm blandningen i en vakuum torktumlare vid 100 ° C i 6 h.
      Obs: I det här steget Använd endast IS1. IS2 bör tillämpas i nästa steg.
    3. Tillsätt IS2 blandningen i dammsuga torktumlare (till lösningen med delvis karboniserade kol föregångaren). Värm blandningen igen i vakuum torktumlaren vid 160 ° C i 12 h.
  3. Härdning/förkolning
    1. Överföra den erhållna sammansatt till en mortel för fragmenteringen av de största partiklarna och en homogenisering av materialet.
    2. Placera den erhållna produkten i flödet ugnen och Värm till 700 ° C (på en uppvärmning på 2,5 ° C/min) och värme för 6 h vid denna temperatur. Värm materialet i en kväveatmosfär.
    3. Låt lösningen svalna innan du öppnar ugnen.
  4. Borttagning av kiseldioxid matris av etsning
    1. Bereda 100 mL etsning lösning (ES). Blanda 50 mL 95% etanol och 50 mL vatten. Tillsätt 7 g kaliumhydroxid och rör tills det är upplöst.
    2. Alla erhållna karboniserade material (minst 1 g) i en 250 mL runda-botten kolv och tillsätt 100 mL av ES.
    3. Leverera systemet med en återloppskylare och magnetisk omrörare och värme koka upp under omrörning. Koka blandningen för 1 h.
    4. Överföra erhållna materialet till Büchner tratten, tvätta den med minst 4 L destillerat vatten och torka den.

2. beredning av matrisen kiseldioxid SBA-15

  1. Syntetisera en kvarts matris.
    1. Förbereda 150 mL 1,6 M HCl.
    2. Lös 4 g av PE 6400 polymer (EO13PO70EO13) i 150 mL syra lösning i en runda-botten kolv.
    3. Placera kolven i ultraljudsbad. Värm lösningen till 40 ° C och rör om så att polymeren kan upplösa (minst 30 min).
    4. Långsamt tillsätt 8,5 g TEOS till kolven, droppvis under konstant omrörning. Rör blandningen lösning för 24 h vid samma temperatur (40 ° C).
    5. Över innehållet i kolven till en polytetrafluoreten patron. Lämna lösningen för 24 h i en 120 ° C ugn.
    6. Filtrera den resulterande fällningen, använder en Büchner tratt, och tvätta med destillerat vatten (minst 1 L).
    7. Torka den erhållna fast vid rumstemperatur och kalcinerad för 6 h vid 600 ° C, med en muffelugn i en air-atmosfär.

3. metoder för karakterisering

  1. Låg temperatur kväve adsorptions mätningar
    1. Använda en automatisk sorption analyzer skaffa N2 adsorptions isotermerna på 77 K.
    2. Använd en lämplig glasrör för kväve sorption mätningar. Innan du lägger till porösa provet glasröret, rengör röret i ett ultraljud bricka och skölj det först med destillerat vatten och, nästa, med vattenfri etanol.
    3. Värm glasröret vid 150 ° C för 3 h och fyll röret med komprimerat kväve. Väga Tom glasröret på kväve villkor innan mätningen att minimera vikt felet.
    4. Placera provet i glasrör och väger den totala massan (massa provet med glasröret).
    5. Innan mätningarna, degas provet. Placera glasröret med provet i hamnen avgasning av sorption analyzer. Tillämpa följande process villkor: ett tryck på minst 0,01 mmHg, en temperatur av 423 K, och en längd av 24 h. I den avgasning porten ansluta provet till vakuum och Värm den till den inställda temperaturen (423 K). Efter avgasning, fyll provet med kväve och överför det till analys porten.
  2. Transmissionselektronmikroskopi
    1. Använda mikroskopet TEM med 120 kV (för SBA-15) och 200 kV (för den öppna samordningsmetod materialet) accelererande spänningar för att samla de TEM bilderna av bra kvalitet.
    2. För att förbereda en monodisperse film av provet, dispergera provet (1 mg) i etanol (1 mL). Utföra dispersion procedur i en mikrocentrifug rör genom att placera den i ett ultraljudsbad i 3 min.
    3. Placera två droppar av spridningen på ett TEM koppar rutnät med hjälp av en mikropipett. Överföra rutnätet TEM till mikroskopet TEM och starta TEM bildtagning.
  3. Energy dispersive X-ray spektroskopi
    1. Använd ett svepelektronmikroskop utrustad med en X-ray detektor för att förvärva en energi dispersiv röntgen spektrum av proverna.
    2. En acceleration spänning 15 kV skörden spektrumet. Välj kisel som elementet optimering för SBA-15 och kol för OMC provet.
  4. Potentiometrisk titrering mätning
    1. Använda en automatisk byrett för att utföra experimentet potentiometrisk titrering. Lägg till titrant i små och kontrollerade portioner (enligt titrerprogramvara och förfarande). Ge den minsta inkrement, minst 1 μL, genom en automatisk dosering intrument.
    2. Skingra 0,1 g av provet i 30 mL av en elektrolytlösning (vattenlösning av 0,1 M NaCl). Använda magnetisk omrörare och isotermiska förhållanden (293 ± 0,1 K) under förfarandet för spridning.
    3. Tillsätt 1-2 mL titrant (0,1 M NaOH-lösning) till fjädringen.
      Obs: Utföra tillägg i små portioner (varje vara ca 0,05 mL). Den automatisk byretten förfarandet bör tillhandahålla minst ett dussin experimentella punkter i det pH-området från 1 till 14.
    4. Beräkna ytan densiteten av laddningen Qs, med följande formel.
      Equation 1(1)
      Här
      Δn = förändringen i H+/OH– balans minskade per massa prov;
      SBET = Brunauer-Emmett-Teller (insats) ytan av det porösa halvledar;
      F = antalet Faraday.
  5. Kapillär stiga metod för Vätbarheten mätningar
    1. För att avgöra kontaktvinkel inne i porerna av studerade proverna, använder du metoden kapillär stiga.
      Obs: Denna metod är baserad på mätning av massa uppkomsten av vätskan, som tränger in porösa sängen, som funktion av tiden. Det viktigaste antagandet av denna metod är baserad på det faktum att penetrerande vätska går framåt i kolumnen porösa och som här kolumnen består av interkristallin kapillärer med en viss genomsnittlig radie. Således är varje förhållande som härleds för enskild kapillär giltig för lagret av poröst pulver. I en enda vertikala kapillär flyter vätning vätskan mot på gravitationen till följd av skillnaden i tryck mellan vätska och ånga i porerna (kapillär tryck). I denna mening tillåter genomträngningen av vätskan in i porösa sängen bestämning av den dynamiska framryckande kontaktvinkel inne i porerna.
    2. Tillämpa den modifierade Washburns ekvation17,18, uttryckt som följer.
      Equation 2(2)
      Här
      m = massan av uppmätta vätskan;
      C = parametern geometriska beroende på distribution, formen och storleken på porerna;
      Ρ = densitet;
      Γl= ytspänning;
      Η = viskositeten hos den penetrerande vätskan;
      Θ = kontakt vinkel;
      t = tid.
    3. Med hjälp av ekvation (2), uppskatta värdena för de framryckande kontakta vinklarna inne i studerade porerna.
    4. Förbereda den kraft tensiometer. För pulver, använda ett glasrör med en diameter av 3 mm och en keramisk sinter; för flytande, använda ett fartyg med en diameter på 22 mm och en maximal volym på 10 mL.
    5. Mäta 0,017 g av provet.
    6. Starta datorprogrammet ansluten till tensiometer. Sätta ett fartyg med vätska på en motordriven scen och avbryta glasröret med provet på en elektronisk balans.
    7. Starta motorn och börjar närma sig vätskan i kärlet med provet vid en låg konstant hastighet av 10 mm/min; Ange Nedsänkningsdjup prov röret i den flytande motsvarar 1 mm.
    8. Från detta ögonblick, den beroende m2 = f(t) register i datorprogrammet.
    9. Stoppa experimentet när den beroende m2 = f(t) börjar att Visa karakteristiska platån.
    10. Kontrollera noggrannheten genom att upprepa denna procedur 3 x - 5 x.
  6. Dielektriska avkoppling spektroskopi
    1. För att beskriva beteendet smältande med trånga vatten inuti studerade porösa matriserna, utföra temperaturmätningar av kapacitans C av provet i en parallell plattan kondensator gjord av rostfritt stål19, 20 , 21. för att mäta kapacitansen C som funktion av temperaturen och frekvensen av det tillämpa cykliska elektriska fältet, använder en impedans analysator.
      Obs: Den komplexa elektriska Dielektricitetskonstant definieras som ε * = ε' + iε'', där ε' = C/C0 är den verkliga, och ε'' = tgδ·ε' är en imaginär del av Dielektricitetskonstant, där C0 är kapacitansen i tomt kondensator och tgδ är de dielektriska förlusterna.
    2. Sätta det uppmätta provet i plätera kondensatorn.
    3. Välj ett frekvensområde från 100 Hz till 1 MHz och en temperatur från 140 K till 305 K. kontroll av temperaturen förändras med Tempereringsaggregatet; Ange temperatur som motsvarar 0,8 K/min under kyla och 0.6 K/min under uppvärmningsprocessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att karakterisera den porösa strukturen av de undersökta proverna av OMC och SBA-15, N2 adsorption-desorption spelades isotermerna på 77 K. De experimentella N2 gas adsorption-desorption isotermerna karakterisera de undersökta systemen, samt de por storlek distributioner (PSD), adsorption och desorption uppgifter i materialet, presenteras i figur 1A-D. Placering av Böjningar punkterna på de sorption isotermerna (figur 1A, C) anger trycket som startar processen med mesopore fyllning. Denna information behövs för beräkningen av den genomsnittliga porstorleken och PSD (figur 1B, D), enligt Kelvin ekvation.

Figur 2A -C presenterar TEM bilder av den öppna samordningsmetoden. Figur 2D E presenterar TEM bilder av SBA-15 provet. De erhållna TEM-micrographs användes för att utvärdera kvaliteten i syntetiskt material och bekräftar den tvådimensionella hexagonal strukturen. En tolkning av TEM bilder tillåter en uppskattning av porstorlek och en jämförelse av värden med uppgifterna från sorption mätningar (figur 1).

Figur 3 visar surface laddningstätheten fördelningen för kol och kisel material. Egenskaperna för ytor och gränssnitt stöder och fasta matriser har en avgörande inverkan på Egenskaper för utredas material och de fysikalisk-kemiska processer och fenomen på deras yta eller i deras närhet. En experimentell undersökning av ytegenskaper, såsom ytan avgift tätheter, verkar vara lämpligt och värdefull för att utreda hur ytegenskaper (närvaro och typer av funktionella grupper) påverka den undersökta kemiskt och fysiska fenomen. I synnerhet de ytegenskaper relaterade till ytkemi av carbon material beror på den ytladdning som definieras av heteroatomer (såsom syre eller kväve) och påverka den Vätbarheten, adsorptive egenskaper, elektrokemiska och katalytiska funktioner, och slutligen, syra-bas och hydrofil-hydrofoba beteende. En analys av punkt-av-noll kostnad position på pH-skalan ger information om systemets syra; ju lägre pHpzc värde, den surare provet är.

Figur 4A B visar typiska TEM-energi dispersiv röntgen spektroskopi (EDS) spektra för OMC provet illustrerar samspelet mellan incident elektronen strålar med urvalet, vilket genererar röntgenbilder med energier kännetecknar atomnumret element. TEM-EDS är ett kraftfullt verktyg för bestämning av den kemiska sammansättningen. Figur 4 c visar EDS resultaten för SBA-15 material. Värdet av energin i den karakteristiska strålning som kommer från provet tillåter en identifiering av elementen i det undersökta provet, medan intensiteten (höjden på topparna i spektrumet) möjliggör en kvalitativ analys av dess innehåll ( Figur 4 c).

Figur 5 illustrerar resultaten av mätningar av kontakt vinklar inuti nanopores av OMC (figur 5A) och SBA-15 (figur 5B), refereras till wettabilities på smidig mycket orienterade pyrolytisk grafit (HOPG) och glas substrat, respektive. En perfekt slät kiseldioxid yta glas och HOPG grafit som släta grafit yta användes. De uppmätta kontakt vinklarna visas som en funktion av parametern mikroskopiska vätning αw för både smidig planar kiseldioxid, grafit ytan och grov nanoporösa material. Värden på αw för vätskor på dessa kiseldioxid och grafit substrat (figur 5A, B) kan hittas baserat på följande ekvation.

Equation 3(3)

Här
Εfw, εff = energi djup Lennard-Jones potential;
Σfw = kollision längd Lennard-Jones potential;
Ρw = antalet fasta atomer per volymenhet;
Δ = avståndet mellan Separerande lager i substratet.

Dessa värden är tagna från tidigare publicerad litteratur22,23,24. Mätning av Vätbarheten tillåter karakterisering av adsorbate/adsorbent interaktioner. Tillsammans med potentiometrisk titrering och EDX analys ger mätning av Vätbarheten en fullständig beskrivning av ytegenskaper av ett givet prov. Ju lägre kontakten vinkel, ju högre Vätbarheten hos preparat, vilket innebär att samspelet mellan genomträngande flytande molekylen med studerade ytan är starkare (figur 5A, B).

Figur 6 visar den strävhet fraktioner f beräknas från den Cassie-Baxter modell25 vs. parametern mikroskopiska vätning för nanoporösa kolet (OMC; Figur 6A) och kiseldioxid (SBA-15; Figur 6B) Matrix. Vi antar att vätning på de ojämna ytorna uppstår enligt mekanismen Cassie-Baxter (dvs droplet-programmet av vätskan tränger inte hålrummen men är på toppen av oegentligheter [som visas i inläggningar av figur 5A, B ]). I denna modell beskrivs kontakta vinkeln på grov yta θp som:

cosθp = f(1 + cosθ) - 1 (4)

Här
Θ = kontaktvinkel värdet på släta nonporous substrat (glas);
f = är fraktionen av den porösa ytan som är i direkt kontakt med det flytande gränssnittet.

Det är värt utvärdera strävhet fraktioner f (ekvation 4) som fungerar som en korrektionsfaktor för att tolka kontaktvinkel mätningar för de flytande molekylerna med prov ytan i porerna.

Figur 7 presenterar dielektriska spektroskopi resultaten för deutererade vatten begränsas i de studera proverna av OMC (figur 7A) och SBA-15 (bild 7B). Dessa visar de temperaturen dependences elektrisk kapacitet C för båda exemplaren (figur 7A, B). I fast form av polar ämnet, deras värderar polarisering försvinner och den Dielektricitetskonstant ε är lika med n2, där n är brytningsindex för ämnet. Den kraftiga ökningen syns i C-T kurvorna anger de smältande fasövergångar som förekommer i systemet. Temperaturen i den onormala ökningen av funktionen C-T tillåter bestämning av melting point av både bulk vätskan och smältpunkten i porerna i det undersökta provet.

Figure 1
Figur 1: Experimental N2 adsorptions isotherm tomt på 77 K och porositet distributioner av den Barrett, Joyner och Halenda metod (BJH)7,26,27. För (A och B) nanoporösa carbon material och (C och D) kiseldioxid SBA-15 material. De kväve isotermerna visar karakteristiska hysteres loopar, som ger en information om formen och pore storlek distributioner av studerade porerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: TEM bilder som illustrerar den beställda nanoporösa kanaler strukturen. (A - C) TEM bilder av nanoporösa kolet längs (001) riktning vid olika förstoringar. (D - E) strukturen för SBA-15. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: potentiometrisk titrering resultat för OMC och SBA-15 (pH beroende av yta laddningstätheten). Yta laddningstätheten beroendet av pH visar skillnaderna i elektrokemiska karaktären av båda materialen; pzc poängen ger information om antalet platser på syra på provets yta. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: exempel på TEM - EDS spectra och analys EDS. (A och B) EDS spectra för OMC provet, inspelade från två olika områden markerade på TEM bilden. (C), EDS spectra och kvantitativ analysresultatet av SBA-15 provet. Kvantitativa resultat av EDS analys ge information om förekomst av element i de funktionella grupperna ansvarar för ytan reaktivitet; Detta är en teknik som komplement till potentiometrisk titrering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Kontakt vinklar vs. parametern mikroskopiska vätning mätt inuti porösa matriserna. (A) nanoporösa kol (OMC) och (B) kiseldioxid (SBA-15) matris, refereras till som den kontakt vinklar vs. funktionen mikroskopiska vätning parametern på slät HOPG och glas substrat, respektive. Vätbarheten hos preparat inne i porerna avser Vätbarheten hos preparat på plana ytor och ger information om påverkan av pore ojämnheter på adsorbate/adsorbent interaktioner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Strävhet fraktioner f beräknas från den Cassie-Baxter modell vs. parametern mikroskopiska vätning. För (A) nanoporösa kol (OMC) och (B) kiseldioxid (SBA-15) matris. Applikation av Cassie-Baxter-modellen av Vätbarheten kan tolkningen av kontakt vinklar på grova porösa substrat. De f fraktioner beräknas från denna modell beskriver andelen bidrag av porös vägg som är i direkt kontakt med flytande ytan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Temperatur dependences för kapacitans D2O vatten alltid inom den öppna samordningsmetoden och SBA-15 porös matrisen. Den öppna samordningsmetoden (A) och (B) SBA-15 porös matris. Tolkningen av den C-T-funktionen möjliggör identifiering av temperaturen i fas övergången D2O i porer och i bulk som förekommer i det studera systemet. En ökning av C-T funktion leder till ökat smältpunkt för både bulk vatten och trånga vatten inne i porerna. Värdet av smältpunktens SKIFT i porer i förhållande till huvuddelen är beroende av de värd/gäst molekylära interaktionerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Prov Yta (SBET)en  Porvolym Pore storleksfördelning
(m2g) (cm3g) (nm)
Stotala Smicb Vtotaltc Vmicb 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

Tabell 1: värdena för textural parametrar som beskriver en porös struktur av beställda nanoporösa kol och SBA-15 kiseldioxid beräknas från N 2 sorption isotermerna. en BET yta som beräknas med hjälp av experimentell punkter på det relativa trycket (P/P0) 0,035 - 0,31, där P och P0 betecknas som jämvikt och mättnad trycket av kväve. b Yta och pore volymen av mikroporer beräknas av t-plot metoden med en monterad statistiska tjocklek i intervallet från 3.56 till 4,86 Å. cTotal porvolym beräknas av 0,0015468 x mängden kväve som adsorberats vid P/P0 = 0,99. d Hydrauliska pore diametrar beräknas från satsningen ytan områden och pore volymer enligt ekvation: Dh = 4V/S. e Pordiameter beräknad från PSD högst den ickelokala täthetsfunktionalteori (NLDFT). NLDFT beräkningar utfördes med ett icke-negativt regularization av 0,001 och cylindriska geometri av porer som en modell av kol porositet. f Pordiameter beräknad från metoden BJH (samma resultat för adsorption och desorption data). * Bristen på värden av pore diametrar av SBA-15 beräknad från metoden NLDFT. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De kritiska steg under utarbetandet av beställda mesoporous carbon materialet inbegripa förberedelse av beställda mesoporous kiseldioxid material som mallen med väldefinierade strukturella egenskaper som påverkar egenskaperna hos de slutliga material och en härdning/förkolning steg under en kväveatmosfär. Ändring av den typiska metoden för beredning av mesoporous beställde silikater med cylindriska porer28 oro tillämpningen av atypiska struktur-styra agent som är PE10500 polymer, för förbättringen av strukturellt materialets egenskaper. Den tredimensionella, sammanlänkade och stabila porösa strukturen för mallen är nödvändiga för utarbetandet av mesoporous carbon material. Dessutom är en viktig nackdel av preparatet väsentliga krav på prov behandling för mallen avlägsnande. Egenskaperna för kemikalier som används i detta steg kan påverka kol ytan och dess funktionalitet. Enligt presenterade strategin är utarbetandet av negativa replikering av OMC baserad på mallen beställda mesoporous solid. Pore storlekskontroll och symmetriska beställning bestäms helt enkelt använder mallen kiseldioxid och är inte associerade med samspelet mellan kol föregångaren och mallen. OMC potential för olika elektrokemiska system har angivits i litteratur29,30. Mekanismen för impregnering som presenteras i detta arbete ansvarar för facile processen att exakt replikera negativa strukturen för mallen kiseldioxid. Arten av hårda mall förfarandet säkerställer att pyrolys fenomen orsakar mindre skada på regelbunden och ordnad struktur. Dessutom tillåter denna metod en enklare grafitisering av OMC material bildas inom fast mallen.

Den experimentella N2 adsorptions isotherm (figur 1A, C) användes för att få preliminär information om typ och storlek av porositet. Tecknet nanoporösa material bekräftades tydligt. En liten ökning av mängden kväve som adsorberats i inledningsskedet av processen (i spänna av relativa tryck under 0,03) och dess betydande ökning av det ytterligare utbudet av relativa tryck (särskilt i spänna av mesopores) visar den förekomsten av ett betydande antal mesopores och avsaknaden eller ett mycket litet antal, av mikroporer. De adsorption-desorption isotermerna erhållits för detta material är typiska för typ-IV (IUPAC-klassificering31), som är en korrekt spegling av den kol mesoporous kanal systemet med en skarp kapillär kondens scenen på mellanliggande relativ trycket (0.45 - 0,9 P/P0). Placeringen av kapillära kondens steget motsvarar mesopores primära storlek (ca 4-5 nm). Undersökta kol provet uppvisar också en hög specifik yta (757 m2·g-1) och en betydande porvolym (0,87 cm3·g-1).

De kritiska steg under kväve adsorptions mätningar är steget mycket exakt massa prov bestämning och tillräckligt degas steg. Mätning utfördes enligt lämpliga riktlinjer. Trots att fastställandet av ytan och fördelningen av por-storlek är baserad på physisorption mätningarna, är tolkningen av de experimentella isotermerna inte alltid direkt.

Vid uträkningen av den mesopores' storleksfördelning, genom tillämpning av modifierade Kelvin ekvationen (som ligger till grund för teorin), är det nödvändigt att acceptera antagandet av styv porerna i väldefinierade form. Dessutom spänna av giltigheten av Kelvin ekvationen och tolkningen av hysteres öglor på isotermerna förblir olösta problem. Möjligheten att underlätta är relaterat till tillämpning av empiriska isotherm analysmetoder (t.ex.,att αs-metoden29,30,31,32, 33,34). Detta sätt kräver dock användningen av adsorption data som erhållits med nonporous referensmaterial.

Figur 1B D presenterar den mesopores' storlek distributioner av studerade prover (PSD). Antagandet av BJH teorin tillåts bestämning av den mesopores' storleksfördelning. PSD kurvan presenteras i figur 1B antyder att kol provet innehöll mesopores av storleksanpassar av 3.5-4 nm, medan SBA-15 besatt porer med en diameter på ca 5 nm (se figur 1 d). Intressant, för det öppna samordningsmetoden provet, maxima av por storlek distribution kurvorna räknat från adsorption och desorption data är mycket lika. Såsom korrekta avtal mellan resultaten, med tanke på olika mekanismer av adsorption och desorption fenomen, bevis på ett mycket ordnat och enhetlig typ av material. Textural egenskaper bestäms från experimentell isotermerna sammanfattas i tabell 1.

Egenskaperna för pore nätstrukturen baserat på fysiska adsorptions-analyser är grundläggande för karakterisering av nanopulver och nanomaterial. Kväve adsorptions metoder kan betraktas som det första steget i karakterisering av mikroporös och mesoporous solider. Metoden är i allmänhet att prover av alla klasser av porösa organ eller material och gör en uppskattning av de porösa strukturerna på grundval av formerna av isotermerna och hysteres loopar direkt från experimentella mätningar. Kväve adsorption och desorption bredvid de andra metoderna av porös strukturbestämning (vätska intrusion35 och ljus, röntgen och neutron scattering36,37 och mikroskopi32) är det viktigaste och användbar teknik tack vare brett tillämplighet och ömsesidig jämförbarhet av resultaten.

Kväve är en standard adsorptive gas molekyl för pore karakterisering av gas adsorption metod. Det är möjligt att använda andra typer av molekyler (koldioxid, krypton, argon) för att erhålla ny information om provet och för karakterisering av mikroporös material.

De TEM micrographs undersökta OMC och SBA-15 prover presenteras i figur 2. De bekräftade ett mycket ordnat system av mesopores, som består av parallella och mycket liknande porösa kanaler och en kol stavformad struktur med de por storlek ~ 11 nm (figur 2A-C). TEM micrographs av OMC bekräftade en sexhörnigt symmetri av porerna till följd av inverterad repliken av första nanoporösa kiseldioxid föregångaren och pordiameter mellan stängerna 4,0 nm. SBA-15 provet visar den tvådimensionella beställda sexkantiga strukturen hos mesopores; SBA-15 välordnad struktur observeras i båda projektioner, tillsammans med nanoporösa kanaler och vinkelrätt mot dem (figur 2D, E). Dessa observationer är bra överens med de värden som erhålls från experimentell kväve sorption data (se tabell 1). Transmissionselektronmikroskopi är kunna ge bilder med högre upplösning än ljusmikroskopi på grund av den mindre de Broglie-våglängden av elektronerna. Detta gör det möjligt för oss att fånga detaljer tusentals gånger mindre än en matchas objekt som sett i ett ljusmikroskop. I denna metod kommer bilden från samspelet mellan elektronerna med provet när balken överförs hela preparatet. En av begränsningarna av metoden är därför att preparatet bör en ultratunn film på mindre än 100 nm tjock eller en suspension som tillämpas på ett rutnät. TEM kan förbättras genom en skanning transmissionselektronmikroskop (STEM). Det bör vara möjligt genom en tillsats av ett system som i kombination med lämplig detektorer, som kommer att raster balken över provet att bilda bilden.

PH-värdet i punkt-av-zero laddningen av OMC (dvs, pH-värde under vilket den totala ytan på kolpartiklar är positivt laddade) befanns vara ovan pH = 10 (figur 3). För jämförelse är pH-värdet i den punkt-av-noll kostnad av SBA-15 material lika med ca 4,5. Potentiometrisk titrering resultaten av SBA-15 material visar en förskjutning av pHpzc mot lägre pH-värden, som styrker förekomsten av vissa sura centra på SBA-15 ytan. De negativt laddade platserna öka Van der Waals interaktioner mellan adsorbent/adsorbate molekylerna i matrisen SBA-15 förbättra egenskaperna adsorptive matrisens kiseldioxid.

De kritiska steg under potentiometrisk titrering mätningen inkluderar den mycket precisa tillsatsen av titrant att fjädringen och kontinuitet av omrörning. Potentiometrisk titrering förfarandet var helt automatiserad för att säkerställa de mest tillförlitliga resultat. En annan viktig och unik steg var tillämpningen av särskild programvara för att styra experimentella förhållanden och beräkningar. Begränsning av denna metod är steget kalibrering av pH-elektroden och behovet av att säkerställa en stabil atmosfär (exempelvis kväve) och temperatur. Potentiometrisk titrering kan kategoriseras som ett förfarande för syra/bas-titrering. Denna teknik kräver mätningar av spänning förändringen på titrant tillägg steg. Det ger en anpassningsbar, prisvärda och mycket noggrann teknik för att uppnå hög renhet, vilket är viktigt i många områden, särskilt i läkemedel och funktionella material studier. I själva verket finns det ett antal typer av Potentiometriska titreringar. Det finns exempelvis syra-bas, redox, nederbörd och komplexometriska tekniker. Som Potentiometriska titreringar kan realiseras automatiskt, garanterar det större kapacitet för provet karakterisering.

Pzc bestäms som skärningspunkten mellan elektrolyten titrerkurvan och titrerkurvan registreras för carbon material, liksom skärningspunkten mellan surface laddningstätheten kurvan med axeln. Resultatet antyder att undersökas, beställde nanoporösa carbon material har grundläggande egenskaper relaterade till förekomsten av syre funktionella grupper (-OH terminalen grupper av aldehydgrupper, pyronic ring, chromenic och π-elektron system)38,39 ,40,41. De grundläggande egenskaperna för kol ytan kan vara ett resultat av en termisk behandling som orsakar progressiv förstörelse och avlägsnande av sura syre funktionella grupper (exempelvis carboxyls, laktoner och fenoler) och, således, berikar kol ytan i basic funktionella grupper42. Förekomsten av dessa grundläggande platser är en följd av samtidiga minskningen av antalet platser på sura och en minskning av syrehalten förknippas direkt med surhetsgraden. Innehållet av syre har verifierats med TEM-EDS.

TEM-EDS spectra bilder av OMC yta från två olika områden av provet visas i figur 4A, B. Syre och kisel atomer från OMC ytan upptäcktes trots den dominerande mängden kol. Den atom- och viktprocent för element, presenteras som inläggningar och erhållits från olika områden av proverna, är liknande och anger ca 98% består av kol och endast lite mer än 1% av sammansättningen är hänförligt till syre. EDS mikroanalys får föreslå att den grundläggande karaktären av OMC ytan är associerad med mycket lågt antal syrehaltiga funktionella grupper, som vanligtvis har sura funktionalitet. Dessutom kan de grundläggande funktionella grupperna ansvara för odling av hydrophilicitet carbon material. En EDS spektrum av kiseldioxid matrix bekräftar det främsta bidraget av syre och kisel överflöd i SBA-15 (figur 4 c). EDX är en av de tekniker som bestämmer Atom sammansättningen av preparatet. Det ger inte kemisk information (t.ex., oxidationstillståndet, kemiska bindningar), som en XPS-metod. För kvantitativ analys är EDX inte lämplig för lätta grundämnen (e.g.,like syre) eftersom den endast kan påvisa förekomsten av syre men inte kvantifiera det. Denna metod fungerar bara på ytan av tunna lager (på några mikrometer eller mindre) och är ganska känslig för kontaminering i preparatet.

I figur 5 A, B resultaten av kontakt vinkel mätningar för flera vätskor på kisel och kol substrat presenteras; Vi kan se att systemen avslöjar ett brett utbud av wettabilities. Två av de tillämpa substratesna är jämna och plana, nämligen den kisel och kol ytor, medan den andra visar ojämnheter och innehåller mesopores. De uppmätta kontakt vinklarna presenteras vs.parametern mikroskopiska vätning, αw. Denna parameter är förhållandet mellan de vätska-pore vägg intermolekylära växelverkningar interaktion av två flytande molekyler22,23,24. Därför, den mäter egenskaperna vätning på nano- och macroscales. Parametern αw har visat sig vara en monoton funktion av kontaktvinkel. Enligt mätningar av värdena för kontakt vinklar för ytor med roughnessare högre än de för smidig plana ytor, oavsett vilken typ av studerade vätskor, inklusive nonwetting andwell-vätning vätskor.

Dessa resultat tyder Cassie-Baxter mekanismen av Vätbarheten på nanorough ytor av porösa väggar. Dessutom kontakt vinklarna mäts för flera vätskor inuti kiseldioxid kol nanopores indikerar bättre Vätbarheten av kiseldioxid väggarna än kol väggarna och påverkan av pore ojämnheter på vätska/vägg växelverkan är mer uttalad för kiseldioxid än för kol nanopores. Att bestämma kontakt vinklar och Vätbarheten av små partiklar i pulver används metoden kapillär stiga. Många tekniker, såsom oskaftade droppe metod och Wilhelmy plattan, kan användas för att kontakta vinkel mätningar för ett platt fasta substrat. Kapillär stiga metod förutsätter tillfredsställelsen av fyra villkor under processen (dvsWashburns ekvation härleds utifrån dessa fyra antaganden): (1) en konstant laminär, (2) avsaknaden av ett yttre tryck, (3) försumbar gravitationskraften, och (4) vätskan vid fast-flytande gränssnitt inte flytta. Det hydrostatiska trycket är mycket mindre än det kapillära trycket; kapillära trycket orsakar därför vätskan stiga uppåt längs röret. Vätbarheten studierna av små partiklar bör alltid beakta noggrannheten och reproducerbarheten för resultaten.

Tomeasure exakt kontakt vinkeln på små partiklar, de påtryckningar höjningarna och hydrostatiska effekter bör beaktas i Washburns ekvation att mer exakt beskriva förhållandet mellan tryck increment och tid.

I figur 6A, B, presenterar vi den bråkdel f (som beskriver del av en porös yta som är i direkt kontakt med det flytande gränssnittet), definierat som f = (1 + cosθp) / (1 + cosθ). Det tar värden från spänna av 0,73 (H2O) till 0,92 (OMCTS) för kiseldioxid matris och från spänna av 0,82 (H2O) till 0,93 (OMCTS) för carbon matrix. Dessutom ökar en bråkdel f monotont med ökande αw parametern, som bekräftar Cassie-Baxter-modellen av vätning på grov substrat.

Dessa resultat diskuteras inom ramen för Cassie-Baxter-modellen, visar att påverkan av microroughness för nanoytor, avsevärt påverkar ändringar i vätska-vägg.

För att undersöka påverkan av karaktären av de porösa ytorna på förlossningen effekterna av D2O i SBA-15 och OMC matriser med jämförbara porstorlek 5 nm, dielektriska metoden användes. Resultaten av vatten placeras i OMC och SBA-15 vid uppvärmning, som presenteras i figur 7A och figur 7B, respektive elektrisk kapacitet tyder på att temperaturberoendet för kapacitans C visar en kraftig ökning vid T = 260 K, motsvarar smältning av adsorberat D2O inne i porerna av SBA-15 och vid T = 246.1 K, som avser smältning av vatten adsorberas inne i porerna av OMC. För båda systemen, vi ser en ökning av funktionen C(T) vid T = 276,5 K, som det hänvisas till smältpunkten för bulk deutererat vattnet. De observerade signalerna är relaterade till både huvuddelen och trånga vätskan eftersom proverna studeras som suspension i fyllda porösa matriser med flytande är i överskott. Relativ till det av huvuddelen, smälttemperatur D2O i SBA-15 porer är deprimerad av ΔT = Tm, pore− Tm, bulk =-16,5 K, medan för OMC, ΔT = -30,4 K.

Dessa resultat kommer från olika strukturer av pore väggen. Smälttemperatur i porerna Tm, pore beror på två variabler, nämligen porstorlek H och parametern Vätbarheten αw. För mindre αw värden (αw < 1), depression av Tm, pore förväntas. Om porstorlek bredd H är samma, sedan påverkar i αw -värde av systemet förändringen i Tm, pore. Resultaten av Vätbarheten hos preparat i porer visar att värdet αw i båda systemen studerat minskar på grund av ojämnheter effekterna i förhållande till de av den släta ytan. Arbetet med nedsänkt Vätbarheten i porer We = γlcosθp är mycket mindre för D2O i OMC (We = 4,2432 [mN/m]) än i SBA-15 (We = 20,968 [mN/m]), vilket leder till en hög depression av smältpunkten i detta system, i förhållande till det för D2O i SBA-15 systemet.

De erhållna resultaten indikerar förbättrad vidhäftning effekterna på porös kiseldioxid väggen, i förhållande till de på kol väggen. Denna metod har vissa begränsningar när det gäller de studera proverna. En av dem kommer från det faktum att rekordet av funktionen C(T) innehåller signalen från både bulk vätska och vätskan begränsas i porerna. Därför signalen från trånga nonpolar vätskan är svag, och det är svårt att avgöra smälttemperatur. I framtiden, är det värt att kombinera vissa ytterligare metoder tillsammans med den. (t.ex., differential scanning calorimetry på en långsam uppvärmning eller centrifugering provet för att få koncentrerad prov utan vätska). Dessutom för Konduktiv prover finns det ett behov av att använda en polytetrafluoreten tallrik. En fördel med dielektriska spektroskopi metod är det faktum att metoden som används mycket, på många områden inom forskning, såsom glas övergångar och tidsskala molekylära rörelser, där tidslängd är i tiotals femtosekunder till nanosekunder. Det är därför viktigt att ge frekvenser alltifrån megahertz till terahertz. I fall såsom nedbrytning av erhållna spektra eller tolkning och kvantitativ analys av resultaten liknar tekniken vanligare spektroskopier. Dock undersöker den dielektriska metoden de kollektiva svängningarna av molekyler med en permanent dipolmoment (polära vätskor). Till exempel ger infraröd spektroskopi ytterligare kompletterande information, även om känsligheten i riktning mot kollektiva lägen kan hindra tolkningen av dielektriska spectra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill tacka National Center of Science för att tillhandahålla ekonomiskt stöd med grant inga. DEC-2013/09/B/ST4/03711 och UMO-2016/22/ST4/00092. Författarna är också tacksamma för partiellt stöd från Polen operativa Program Humankapital PO KL 4.1.1, samt från nationellt centrum för forskning och utveckling, enligt forskning ge nr. PBS1 A9/13/2012. Författarna är särskilt tacksam för Prof. L. Hołysz från Interfacial fenomen Division, fakulteten för kemi, Maria Skłodowska-Curie universitetar, Lublin, Polen, för hennes vänlighet och möjliggör mätningar av Vätbarheten hos preparat i den SBA-15 nanopores.

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

Kemi fråga 145 nanoporösa kolatomer Cassie-Baxter-modellen Vätbarheten modifierade Washburn ekvation mikroskopiska vätning parameter kväve adsorptions isotermerna potentiometrisk titrering Surhetsreglerande
Ytans egenskaper av syntetiserade nanoporösa kol och kisel matriser
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