Yöntem makalesi

Tek yönlü selüloz Nanofiber dağılması tarafından hazırlanan Microhoneycomb yekpare dayalı sıra: Yöntem ve uzantıları

DOI:

10.3791/57144

⸱

24 Mayıs 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Engineering Laboratory for Functionalized Carbon Materials and Shenzhen Key Laboratory for Graphene-based Materials, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, 3Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, 4Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute (TBSI), Tsinghua University, 5School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, hangi sıvı bir son derece düşük basınç düşmesi ile geçebileceği içinde microhoneycomb yekpare (MHMs) çeşitli hazırlamak için genel bir iletişim kuralı mevcut. Katalizör destekler, akış türü elektrotlar, sensörler ve iskele Biyomalzeme için filtre olarak kullanılacak elde MHMs bekleniyor.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yekpare petek yapıları nedeniyle onların yüksek güç-ağırlık oranı çok disiplinli alanlara çekici olmuştur. Özellikle, mikrometre ölçekli kanalları ile microhoneycomb yekpare (MHMs), onların geniş yüzey alanları nedeniyle reaksiyonlar ve ayrımları için verimli platformlar olarak bekleniyor. Şu ana kadar MHMs bir tek yönlü (UDF) dağılması yöntemi tarafından yalnızca çok sınırlı öncüleri hazırlanmıştır. Burada, biz hangi MHMs farklı bileşenlerden oluşan bir dizi elde edilebilir bir protokol raporu. Son zamanlarda, farklı yapısı yönetmenlik Ajan MHMs oluşumu UDF sürecinde doğru olarak o selüloz nanofibers işlev bulduk. Selüloz nanofibers MHMs pes ediyor musun çözünen maddeler su ile karıştırılarak, kompozit MHMs çeşitli hazırlanabilir. Bu önemli ölçüde MHMs kimyasal Anayasası çok yönlü uygulamalar doğru zenginleştiriyor.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yepyeni bir malzeme olarak microhoneycomb monolith (izotopu MHM) son zamanlarda çok disiplinli alanları1,2,3,4,5, çok büyük dikkat çekti 6 , 7 , 8. MHM ilk hazırlanan bir yaklaşımla değiştirilmiş tek yönlü (UDF) dağılması S. Mukai vd tarafından petek benzeri kesitleri9ile düz mikro bir dizi ile bir monolith olarak. MHM petek yapıları, yani, verimli mozaik, yüksek güç-ağırlık oranı ve düşük basınç düşmesi genel avantajları sahiptir. Ayrıca, MHM petek monolith daha büyük bir kanal boyutu ile karşılaştırıldığında, çok daha büyük belirli yüzey alanı bulunmaktadır. UDF Yöntem buz kristalleri ve eşzamanlı faz ayrımı donma noktasının üzerinde tek yönlü büyüme içerir. Buz kristalleri kaldırıldıktan sonra sağlam bir bileşen tarafından buz kristali kalıp elde edilir. İçsel doğa habercisi (sol veya jel) ve çoğu durumlarda, lamel10, fiber11faz ayrılması kurulan morfoloji bağlıdır ve fishbone12 yapıları MHMs yerine oluşturmak olasıdır. Sonuç olarak, MHMs oluşumu sadece sınırlı öncüleri bildirilmiştir ve bu önemli ölçüde kimyasal mallarını çeşitliliği engel. Selüloz nanofibers UDF işlemi13arası MHM yapısı oluşturan doğru güçlü bir yapısı yönetmenlik işlevi var son zamanlarda bulduk. Sadece Selüloz nanofibers su dağılabilir diğer bileşenleri ile karıştırılarak, MHMs çeşitli farklı kimyasal özellikleri ile hazırlamak mümkündür. Ayrıca, onların dış şekil ve kanal büyüklükte esnek ve kolay kontrollü13vardır. Böylece, MHMs filtreler, katalizör destekler, akış türü elektrotlar, sensörler ve iskele Biyomalzeme için kullanılması bekleniyor.

Bu yazıda, biz ilk MHMs temel Hazırlama tekniği selüloz nanofibers ayrıntılı UDF sürecinde sulu dispersiyon üzerinden açıklar. Ayrıca, bileşik MHMs birkaç farklı türde hazırlanması göstermektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. hazırlanması 1 wt % 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO)-oksitlenmiş selüloz Nanofiber (TOCN) Sol aracılı

Not: Sol kolloidal süspansiyon sürekli sıvı ortamda çok küçük katı parçacıklar olarak tanımlanır.

  1. Nadelholz ağartılmış Kraft hamuru (NBKP, 12 g selüloz içeren) 66.7 g 700 mL deiyonize (DI) su 300 devirde 20 dk için mekanik bir karıştırıcı ile askıya alma.
  2. 20 mL sulu TEMPO çözüm (0,15 g TEMPO içeren) ve sulu NaBr çözüm (1.5 g NaBr içeren) 20 mL yavaş yukarıdaki NBKP süspansiyon14,15' e ekleyin.
  3. Yaklaşık 10.5 (pH metre ile ölçülür) için yukarıdaki süspansiyon pH 3,0 M NaOH çözüm yavaş yavaş ekleyerek ayarlayın.
  4. Yavaş yavaş yaklaşık 63.8 g sulu NaClO çözüm (ile 6-14 wt % aktif klor) bir pipet ile TEMPO-aracılı oksidasyon başlatmak için yukarıdaki karışıma ekleyin.
  5. NaClO eklerken, NaOH çözüm pH aralığı içinde sisteminin 10.0 için ~ 10,5 tutmak için eklemeye devam. Bu işlem yaklaşık 2,5 saat sürer.
  6. TEMPO-aracılı oksitlenmiş selüloz lifleri DI su ile kalan NaClO, NaOH ve diğer kimyasal maddeler kaldırmak için 3 kez (DI su her zaman 1200 mL) durulayın.
  7. Hamur oksitlenmiş selüloz lifleri nanofibers dağılmak için güçlü bir mekanik blender ile tedavi. Dikkatle birkaç kez su eşit miktarda bir ek ile birlikte mekanik tedavi yerine getirir. Son olarak, bir 1 wt % oksitlenmiş selüloz TEMPO-aracılı nanofiber (TOCN) sol elde edilir. TOCNs 4 ile 6 ~ bir çapa sahip nm ve 0,5-2 ~ mikron uzunluğunda.
  8. 1 wt % TOCN sol 4 ° C (nanofibers bir ortam sıcaklığında çürümeye meyilli selüloz) olarak saklayın.

2. Sol karışık hazırlanması TOCN-stiren bütadien kauçuk (SBR)

  1. SBR kolloid (48,5 wt %) 0,21 g 10 g 1 wt % TOCN sol (adım 11,7.) 20 mL Cam kap içine ekleyin.
  2. 3 min için yukarıdaki karışımı bir eşit olarak dağınık sol. mağaza kullanmadan önce 4 ° C'de yukarıdaki karışımı sol elde etmek için 6 güç düzeyinde bir girdap karıştırıcı ile tahrik.

3. hazırlık TOCN-TiO2 Sol karışık

  1. TiO2 nano tanecikleri 0.1 g ekleyin (bir ortalama partikül büyüklüğü 20 ile nm) 10 g 1 wt % TOCN sol 20 mL Cam kap içine.
  2. Yukarıdaki karışımı ile ısı önemli miktarda süreç içinde oluşturulur ve TOCNs düşebilir sıcaklık artış neden olur çünkü bir eşit karma sol. Perform bu 10 dk-işlem zaman zaman, elde etmek için homogenizer 10 dk için tahrik. Karışım sol kullanmadan önce 4 ° C'de depolayın.

4. TOCN-yüzey hazırlanması Karbon Fiber (SOCF) sollerin karışık okside

  1. 1,7 g karbon fiber (5.5 ~6.0 mikron için çapı ve uzunluğu yaklaşık 50 mikron ile 300 mesh) 150 ml 6 h SOCF16elde etmek için 60 ° C'de konsantre nitrik asit cezir. Yukarıdaki SOCF 0,01 g 1 wt % TOCN sol 20 mL Cam kap içinde 10 g içine ekleyin.
  2. Sallamak-yukarıdaki karışımı karışımı ve ultra-5 min için karışımı bir eşit karma sol. mağaza kullanmadan önce 4 ° C'de karışımı sol elde etmek için solüsyon içeren temizleyicide.

5. Microhoneycomb Monolith 1 wt % TOCN sol (izotopu MHM-TOCN) hazırlanması

  1. Polipropilen (PP) tüp (13 mm bir iç çapı, ile bir dış çapı 15 mm 150 mm uzunluğunda) cam boncuk ile yük ve Tüp13alt 5 cm kısmı doldurun.
  2. Belirli bir miktar yük (tutar her zaman için kontrol edilemeyen, ama o sonraki kesim işlemi sağlamak için normalde daha büyük 2.7 mL) 1 wt % TOCN sol cam boncuk içeren yukarıdaki PP tüp içine.
    Not: TOCN sol doğrudan cam boncuk tek yönlü dondurucu sürece dahil mesafe etkisi incelenmesi için dökme olmadan PP tüp içine doluydu. Bu durumda, TOCN sol miktarı 11 mL oldu.
  3. Sol yükleme sırasında oluşturulan kabarcıklar dikkatli bir şekilde çıkarın. Kullanmadan önce gecede 4 ° C'de TOCN sol içeren s tüp tutun.
  4. Tek yönlü dondurma için kullanılan daldırma makineli TOCN sol içeren yukarıdaki PP tüp takın. İlgili parametreleri ayarlayın ve PP tüp sıvı azot (-196 ° C) sabit bir hız ile 50 cm h-1 (Şekil 1) içeren bir termo sürahi içine daldırma başlatın.
  5. PP boru kısmı testereyle kesilmiş ve donmuş TOCN sol bölüm çeşitli bölümlere çatlamak. Bu bölümler-10 ° c için 1 gün sonra 1 günde,-5 ° C'de freeze-drying bir makine ile Kuru dondurmak ve sonunda 0 ° c için 1 gün. MHM TOCN beyaz renkli yekpare (Şekil 1) elde edildi.

6. Microhoneycomb Monolith TOCN-SBR üzerinden hazırlanması Sol (izotopu MHM-TOCN/SBR) karışık ve TOCN-TiO2 Sol (izotopu MHM-TOCN/TiO2 ) karışık

  1. Polipropilen (PP) tüpler (13 mm bir iç çapı, ile bir dış çapı 15 mm 150 mm uzunluğunda) alt 5 cm kısmı tüplerinin Dolum cam boncuk ile yükleyin.
    Not: Cam boncuk kararsız buz kristal büyüme, elde edilen örnek Tekdüzen morfolojisi ulaşmak için oluştuğu alanı kapsayacak şekilde kullanılır. Cam boncuk yüzey özelliği ve boyutu elde edilen örnek morfolojisi etkilemez.
  2. Belirli miktar yük (tutar her zaman için kontrol edilemeyen ama normalde daha büyük 2.7 mL daha sonraki kesim işlemi sağlamak için) sol veya TOCN-TiO2 karışık TOCN SBR PP içine karışık sol içeren cam boncuk tüpler.
  3. Sol yükleme sırasında oluşturulan kabarcıklar dikkatli bir şekilde çıkarın. Yukarıdaki içeren s tüpler kullanımdan önce gecede 4 ° C'de sol karışık tutun.
  4. Yukarıdaki içeren s tüpler sollerin için tek yönlü donma kullanılan daldırma makineye karışık ekleyin. İlgili parametreleri ayarlayın ve PP tüp sıvı azot (-196 ° C) 20 cm h-1bir sabit hızda içeren bir tankı içine daldırma başlatın.
  5. PP boru kısmı testereyle kesilmiş ve donmuş TOCN-SBR sol bölüm çeşitli bölümlere karışık çatlamak.
  6. Bu bölümler-10 ° c için 1 gün sonra 1 günde,-5 ° C'de freeze-drying bir makine ile Kuru dondurmak ve sonunda 0 ° c için 1 gün. MHM-TOCN/SBR ve MHM-TOCN/TiO2 beyaz yekpare elde edilmiştir.

7. Microhoneycomb Monolith TOCN-SOCF üzerinden hazırlanması Sol (izotopu MHM-TOCN/SOCF) karışık

  1. (13 mm bir iç çapı) ve bir dış çapı 15 mm ve 150 mm uzunluğu ile bir polipropilen (PP) tüp cam boncuklar, tüp alt 5 cm kısmı doldurma ile doldurun.
  2. Belirli miktar yük (tutar her zaman için kontrol edilemeyen, ama o sonraki kesim işlemi sağlamak için normalde daha büyük 2.7 mL) TOCN-SOCF sol cam boncuk içeren yukarıdaki PP tüp içine karışık.
  3. Sol yükleme sırasında oluşturulan kabarcıklar dikkatli bir şekilde çıkarın. Yukarıdaki içeren s tüp sol kullanmadan önce gecede 4 ° C'de karışık tutun.
  4. Yukarıdaki içeren s tüp sol için tek yönlü donma kullanılan daldırma makineye karışık ekleyin. İlgili parametreleri ayarlayın ve PP tüp sıvı azot (-196 ° C) 20 cm h-1bir sabit hızda içeren bir tankı içine daldırma başlatın.
  5. PP boru kısmı testereyle kesilmiş ve donmuş TOCN-SOCF sol bölüm çeşitli bölümlere çatlamak. Bu bölümler-10 ° c için 1 gün sonra 1 günde,-5 ° C'de freeze-drying bir makine ile Kuru dondurmak ve sonunda 0 ° c için 1 gün. MHM-TOCN/SOCF bir beyaz-gri monolith elde edildi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MHM TOCN tek yönlü donma yönünü boyunca farklı pozisyonlar için türleri morfoloji incelenmiş ve Şekil 2' de gösterilen. MHM TOCN alt kısmı uzak daha fazla varlık pozisyonu olan bir kademeli morfoloji değişiklik ortaya çıktı (2 rakam, tartışma). İkinci bir bileşeni bir homojen karışımı sol kurmaya TOCN sol tanıtarak, kompozit MHMs çeşitli hazırlamak mümkündür. Örneğin, kompozit MHMs SBR (Şekil...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MHMs ulaşmak için en kritik tek yönlü dondurucu adım adımdır sütunlu buz kristalleri şeklinde ve dispersoid bir kenara çerçeve oluşturmak üzere itme sırasında hangi su katılaşır. Tek yönlü dondurma işlemi temelde habercisi sol ve soğutucu arasında termal transfer içerir. Bizim kurulumunda bir daldırma makine sabit bir hız ile soğutucu (sıvı azot) içine bir habercisi sol içeren bir s tüp eklemek için kullanıldı. Sıvı azot her zaman buharlaşan tutar beri bir dalgalanma Sıcaklık gradyanı azot sıvı seviyesinin üzerinde oluşt...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser Ulusal temel araştırma programı Çin (2014CB932400), Ulusal Doğa Bilimleri Foundation of China (NOS 51525204 ve U1607206) ve Shenzhen temel araştırma projesi (No tarafından desteklenmiştir JCYJ20150529164918735). Ayrıca, DAICEL-Allnex Ltd. ve JSR a.ş. nazik sağlama poliüretan ve stiren bütadien kauçuk, sırasıyla teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Nadelholz Ağartılmış Kraft HamuruSeioko PMC şirketiCSF = 600
TEMPOMacklin Inc.T819129%98
NaBr MacklinInc.S818075AR, %99
NaClOAladin A.Ş.S101636ağırlıkça %6-14 aktif klor bazlı
SBR kolloidJSR corp.TRD102Aağırlıkça %48,5
TiO2Sinopharm Kimyasal Reaktif Co., Ltd.A63725402kristal anataz fazı
karbon fiberShenzhen Xian' gu Ltd. Şti.XGCP-300
Nitrik asitHuada Reaktif Ltd.7697-37-265-68 wt%
MikserScientific Industries, IncG-560mikser 
Mekanik blenderWaring Lab Ltd.MX1000XTXSelüloz demetlerini nanoliflere ayırmak için.
HomojenizatörScientz Ltd.HXF-DY:TiO2 nanopartikülleri dağıtmak için
pH metre Horiba Ltd.F-74BW
Zırhlı Uçak

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nishihara, H., Mukai, S. R., Yamashita, D., Tamon, H. Ordered macroporous silica by ice templating. Chem. Mater. 17, 683-689 (2005).
  2. Mukai, S. R., Nishihara, H., Yoshida, T., Taniguchi, K., Tamon, H. Morphology of resorcinol-formaldehyde gels obtained through ice-templating. Carbon. 43 (7), 1563-1565 (2005).
  3. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Porous microfibers and microhoneycombs synthesized by ice templating. Catal. Surv. Asia. 10 (3-4), 161-171 (2006).
  4. Nishihara, H., et al. Preparation of monolithic SiO2-Al2O3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating. J. Mater. Chem. 16 (31), 3231-3236 (2006).
  5. Mukai, S. R., Mitani, K., Murata, S., Nishihara, H., Tamon, H. Assembling of nanoparticles using ice crystals. Mater. Chem. Phys. 123 (2), 347-350 (2010).
  6. Cui, K., et al. Self-assembled microhoneycomb network of single-walled carbon nanotubes for solar cells. J. Phy. Chem. Lett. 4 (15), 2571-2576 (2013).
  7. Xu, T., Wang, C. -A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3 ceramics prepared by freeze-casting process. J. Eur. Ceram. Soc. 36 (10), 2647-2652 (2016).
  8. Yoshida, S., et al. CO2 Separation in a flow system by silica microhoneycombs loaded with an ionic liquid prepared by the ice-templating method. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (10), 2834-2839 (2017).
  9. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals. Chem. Commun. (7), 874-875 (2004).
  10. Gutie´rrez, M. C., et al. Macroporous 3D Architectures of Self-Assembled MWCNT Surface Decorated with Pt Nanoparticles as Anodes for a Direct Methanol Fuel Cell. J. Phys. Chem. C. 111, 5557-5560 (2007).
  11. Mukai, S. R., Nishihara, H., Tamon, H. Morphology maps of ice-templated silica gels derived from silica hydrogels and hydrosols. Micropor. Mesopor. Mat. 116 (1-3), 166-170 (2008).
  12. Okaji, R., Taki, K., Nagamine, S., Ohshima, M. Preparation of porous honeycomb monolith from UV-curable monomer/dioxane solution via unidirectional freezing and UV irradiation. J. Appl. Polym. Sci. 125 (4), 2874-2881 (2012).
  13. Pan, Z. -Z., et al. Cellulose nanofiber as a distinct structure-directing agent for xylem-like microhoneycomb monoliths by unidirectional freeze-drying. ACS Nano. 10 (12), 10689-10697 (2016).
  14. Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J. -L., Vigon, M., Isogai, A. Homogeneous Suspensions of Individualized Microfibrils from TEMPO-Catalyzed Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 7 (6), 1687-1691 (2006).
  15. Saito, T., Kimura, S., Nishiyama, Y., Isogai, A. Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation of Native Cellulose. Biomacromolecules. 8, 2485-2491 (2007).
  16. Bekyarova, E., et al. Multiscale carbon nanotube− carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 23, 3970-3974 (2007).
  17. Nishihara, H. Study on the simultaneous control of the nanostructure and morphology of the porous materials prepared via the ice-templating method [D]. , Kyoto University. Kyoto. (in Japanese) (2005).
  18. Zhang, R., et al. Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying. Nano Research. 7 (10), 1477-1487 (2014).
  19. Tao, Y., et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci. Rep. 3, 2975(2013).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Sel loz Nanolif SolKompozit MHM lerYap Y nlendirici AjanFiltrasyon UygulamalarKataliz r DesteklemeAk Tipi BataryalarSens r UygulamalarBiyo iskele Materyalleri

İlgili makaleler