Síntesis y rendimiento catalítico de Oro intercalados en las Murallas de sílice mesoporoso

El objetivo general de este procedimiento es sintetizar nuevos materiales catalíticos con oro nanoestructurado integrado en las paredes de sílice mesoporosa. Esto se logra primero formando micelas mediante la adición de un agente tensioactivo, que actúa como molde para la formación de sílice mesoporosa. Luego se añade una fuente de silicio y un agente de modificación superficial a la disolución, antes de agregar gota a gota un precursor de oro para obtener partículas de oro nanoestructurado.

Después de agitar durante 24 horas, la solución se transfiere a un horno para el procesamiento hidrotermal. Durante el tratamiento hidrotermal, la sílice se polimeriza para formar su estructura mesoporosa y el precursor de oro comienza a crecer a escala nanométrica. El paso final consiste en calcinar el material para eliminar cualquier tensioactivo residual y obtener una estructura mesoporosa bien definida.

Finalmente, la absorción FIZ, la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión se utilizan para demostrar que las nanopartículas de oro se integran en las paredes bien definidas de la sílice mesoporosa. La principal ventaja de este método frente a otros, como la precipitación directa, es que los materiales sintetizados aquí son muy robustos térmicamente. En general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque una síntesis exitosa requiere un control preciso de la temperatura y de las condiciones de la solución.

La nanotecnología se define como un régimen de tamaño, el régimen nanométrico en el que las propiedades de un material cambian en función del tamaño de las partículas. En este caso, estamos hablando de nanopartículas de oro, y el oro también presenta la desventaja de ser un metal blando que se funde fácilmente. Por lo tanto, la prueba de principio que podemos demostrar aquí al añadir estabilidad térmica al oro debería ser aplicable a todos los sistemas metálicos.

Para comenzar la preparación de oro intercalado en la pared de sílice mesoporosa o GMS, agregue 2,0 gramos de P 1 23 a 75 mililitros de una solución de ácido clorhídrico dos molar. A temperatura ambiente, aplique agitación magnética a la solución a una velocidad de 350 rotaciones por minuto hasta que el P 1 23 se disuelva completamente; la solución quedará clara.

Agregue cuatro gramos de TEOS a un vial pequeño, seguido de 180 microlitros de T-E-S-P-T-S. Agite lentamente el vial para mezclar los dos productos químicos; en otro vial, disuelva 38 miligramos de ácido clorhídrico en un mililitro de agua desionizada. Eleve la temperatura de la solución P 1 23 a 35 grados Celsius en un baño de aceite con la temperatura controlada por termopar.

Luego, agregue toda la mezcla de TEOS y T-E-S-P-T-S a la solución de P 1 23 y mantenga la solución bajo agitación magnética vigorosa a 700 rotaciones por minuto. Después de que la solución se agite durante dos minutos, agregue toda la solución preparada de ácido clorhídrico gota a gota en 30 segundos. Agite la solución a 700 rotaciones por minuto durante 24 horas a 35 grados Celsius.

Después de 24 horas, transfiera la solución a un frasco sellado y almacénelo en un horno ajustado a 100 grados Celsius durante 72 horas. Este proceso se denomina tratamiento hidrotermal. Después del tratamiento hidrotermal, filtre la solución con un papel de filtración número uno y presión negativa bajo un embudo.

Luego lave la muestra dos veces con agua y tres veces con etanol para eliminar el ácido clorhídrico residual. Durante cada proceso de lavado, agregue agua o etanol hasta un centímetro por encima del sólido y espere a que el material se seque. Transfiera el precipitado de la filtración a un crisol de cerámica para calcinarlo en un horno.

Configure el programa de rampa para que aumente de 25 a 550 grados Celsius durante dos horas y para que mantenga 550 grados Celsius durante cuatro horas. Luego, permita que la muestra permanezca en el horno con la puerta cerrada hasta que la temperatura descienda por debajo de 40 grados Celsius. Después de la calcinación, transfiera el producto a un vial de vidrio con una espátula de plástico; el material sintetizado presenta un color rojo debido a la oxidación del alcohol bencílico.

Como reacción de referencia, los materiales GMS se prueban y muestran alta selectividad y capacidad de reciclaje. Dado que la oxidación del alcohol bencílico es una reacción en fase líquida sin transferencia de disolvente separado, transfiera cinco mililitros de alcohol bencílico a un matraz de tres bocas de 25 mililitros. A continuación, agregue 10 miligramos del catalizador GMS al alcohol bencílico.

Configure un baño de aceite con control de temperatura y agitación magnética a 100 grados Celsius. Para garantizar un control preciso y uniforme de la temperatura de reacción. Coloque el matraz con alcohol bencílico y el catalizador en el baño de aceite y agite a 150 rotaciones por minuto.

Fluya gas de oxígeno con una pureza del 99,9 % hacia el matraz a dos mililitros por minuto, controlado por un controlador de flujo másico. Cuando la temperatura del baño de aceite alcance 100 grados Celsius y se estabilice, introduzca el gas oxígeno en el matraz de tres bocas. Mantenga constantes el caudal de oxígeno y la temperatura, y permita que la reacción transcurra durante seis horas.

Después de la reacción, filtre el producto con un papel de filtración número uno. Recopile la fase líquida y transfiera una parte a un vial de cromatografía de gases; en el vial, mezcle cuatro partes de ácido acético de grado HPLC. Por cada una parte de muestra, coloque el vial en el muestreador automático de un cromatógrafo de gases para su análisis.

Lave el precipitado sólido en el papel filtro con agua desionizada y luego con etanol antes de dejar secar al aire el precipitado con una espátula. Recopile el sólido seco, que es el catalizador reciclado. Repita este procedimiento con el catalizador reciclado tres veces en cada repetición, ajustando la cantidad de alcohol bencílico para que la cantidad de catalizador reciclado mantenga la misma proporción.

Pese tres porciones separadas de 300 miligramos de GMS sintetizado almacenado. Las porciones de GMS sintetizado se colocan en viales de vidrio marcados como lote uno, lote dos y lote tres. El lote uno servirá como grupo control, mientras que el lote dos y el lote tres se someterán a procesamiento térmico.

Programe el horno para que aumente de 25 grados Celsius a 400 grados Celsius en 0,5 horas, y luego mantenga 400 grados Celsius durante cuatro horas. Coloque el lote dos en un crisol e inicie el programa, dejando la muestra dentro del horno con la puerta cerrada hasta que la temperatura descienda por debajo de 40 grados Celsius. Para el lote tres, programe el horno para que aumente de 25 grados Celsius a 650 grados Celsius en 0,75 horas y mantenga los 650 grados Celsius durante cuatro horas.

Coloque el lote tres en un crisol e inicie el programa como antes. Deje la muestra en el horno con la puerta cerrada hasta que la temperatura descienda por debajo de 40 grados Celsius en el instrumento de absorción de fiz. Somete los materiales GMS a DGAs a 90 grados Celsius durante 60 minutos y luego a 350 grados Celsius durante 480 minutos.

Realice un análisis completo de isotermas en los materiales DGA para obtener datos de absorción porosos. Dispersar la muestra de GMS sobre una rejilla de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de carbono completamente recubierto de malla 200 y observar la muestra bajo un microscopio electrónico de transmisión. Asimismo, realice difracción de rayos X con radiación de cobre K alfa según se describe en el protocolo del texto.

Una imagen de TEM del GMS revela que la matriz de sílice formó canales largos bien definidos con una pared estable. El diámetro de los poros se identificó que era de alrededor de cinco nanómetros y de forma hexagonal, como es típico en la sílice mesoporosa. La comparación de la absorción BET de N₂, la isoterma para la matriz de sílice sin interacción de oro con la isoterma para GMS con oro integrado en las paredes revela que no hay una diferencia significativa entre los dos materiales.

Ambos muestran la forma típica de materiales mesoporosos con un bucle de histéresis que indica que la interacción áurea no impuso ninguna alteración en la estructura de poros. También se muestran la estructura de poros BET y la distribución de poros BJH para el material GMS calcinado a diferentes temperaturas. La calcinación a alta temperatura no alteró la matriz de silicio mesoporosa.

Además, tanto la estructura de los poros como la distribución de los mismos permanecieron iguales tras un tratamiento térmico de hasta 650 grados Celsius, lo que indica que el oro no se agregó ni bloqueó los poros. La estabilidad térmica del oro en GMS se verifica además mediante difracción de rayos X a través del patrón de difracción del material GMS, calcinado a diferentes temperaturas. La ubicación, intensidad y anchura de los picos no muestran ningún cambio debido al proceso de calcinación, lo que indica que las partículas de oro no variaron en tamaño ni en morfología.

Un maestro, esta técnica puede realizarse en 120 horas si se lleva a cabo correctamente. Al intentar esta síntesis, es importante controlar con precisión las condiciones de la reacción, ya que el agente templado es sensible a pequeños cambios en el pH, la temperatura y la concentración. La concreción de esta tecnología ha proporcionado a los investigadores un paradigma mediante el cual podemos conferir estabilidad térmica a sistemas catalíticos. Actualmente se está implementando en sistemas para la mejora de biomasa y tecnologías anticontaminantes dentro de una amplia cartera de tecnologías de energía renovable.