סינתזה וביצועי קטליטי של הזהב intercalated בחומות של mesoporous סיליקה

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא לסנתז חומרים קטליטיים חדשניים עם ננו-זהב המשולב בדפנות של סיליקה מזו-נקבובית. דבר זה מושג תחילה על ידי יצירת מיצלים באמצעות הוספת סורפקטנט, המשמש כתבנית ליצירת הסיליקה המזו-נקבובית. לאחר מכן, מקור סיליקון וסוכן לשינוי פני השטח מתווספים לתמיסה, לפני הוספה של פרקורסור זהב בטפטוף כדי להשיג חלקיקי ננו-זהב.

לאחר ערבוב במשך 24 שעות, התמיסה מועברת לתנור לעיבוד הידרותרמי. במהלך הטיפול ההידרותרמי, הסיליקה עוברת פולימריזציה כדי ליצור את המבנה המזו-נקבובי שלה, וחומר המוצא של הזהב מתחיל לגדול בקנה מידה ננומטרי. השלב הסופי הוא קלצינציה של החומר להסרת שאריות של שעלול (surfactant) וכדי להשיג מבנה מזו-נקבובי מוגדר היטב.

בסופו של דבר, נעשה שימוש בספיחת גזים, עקיפת קרני רנטגן (x-ray diffraction) ומיקרוסקופ אלקטרונים חודר (transmission electron microscopy) כדי להראות כי ננו-חלקיקי זהב משולבים בדפנות המוגדרות היטב של הסיליקה מזופורית. היתרון המרכזי של שיטה זו על פני שיטות אחרות, כגון שקיעה ישירה, הוא שהחומרים המסונתזים כאן הם עמידים מאוד תרמית. באופן כללי, אנשים שאינם מנוסים בשיטה זו עלולים להתקשות, שכן סינתזה מוצלחת דורשת בקרת תהליך על הטמפרטורה ותנאי התמיסה.

ננוטכנולוגיה מוגדרת כמשטר גודל, משטר סולם הננו, שבו תכונותיו של חומר משתנות כפונקציה של שינוי גודל החלקיקים. במקרה זה, אנו מדברים על ננוחלקיקי זהב, וזהב סובל גם מכך שהוא מתכת רכה הנמסה בקלות. לכן, הוכחת העקרון שניתן להדגים כאן להוספת יציבות תרמית לזהב צריכה להיות ישימה לכל מערכות המתכות.

כדי להתחיל בהכנה של זהב המשובץ בדופן של סיליקה מזו-נקבובית או GMS, הוסיפו 2.0 גרמים של P 1 23 ל-75 מיליליטר של תמיסת חומצה כלורית בריכוז שני מולרי. בטמפרטורת החדר, ערבבו את התמיסה באמצעות מערבל מגנטי. בשירות של 350 סיבובים לדקה ועד ש-P 1 23 ימומס לחלוטין, התמיסה תהיה צלולה.

הוסף ארבעה גרמים של TEOS לבקבוקון קטן, ולאחריהם 180 µL של T-E-S-P-T-S. נער בעדינות את הבקבוקון כדי לערבב את שני הכימיקלים. בבקבוקון אחר, המס 38 mg של chloro oric acid ב-1 mL של מים דה-יוניים. העלה את טמפרטורת תמיסת P 1 23 ל-35 °C באמבט שמן שבו הטמפרטורה נשלטת באמצעות תרמוקפל.

לאחר מכן, הוסיפו את כל תערובת ה-TEOS וה-T-E-S-P-T-S לתוך תמיסת ה-P 1 23 והמשיכו בערבוב מגנטי נמרץ של 700 rotations per minute. לאחר ערבוב של התמיסה למשך שתי דקות, הוסיפו את כל תמיסת chloro ORIC acid שהוכנה, בטיפות, בתוך 30 שניות. ערבבו את התמיסה במהירות של 700 rotations per minute למשך 24 שעות בטמפרטורה של 35 degrees Celsius.

לאחר 24 שעות, העבירו את התמיסה לבקבוק אטום ואחסנו בתנור המכוון ל-100 degrees Celsius למשך 72 שעות. תהליך זה נקרא עיבוד הידרותרמי. לאחר העיבוד ההידרותרמי, סננו את התמיסה באמצעות נייר סינון מסוג number one ובלחץ שלילי תחת משפך.

לאחר מכן, שטפו את הדגימה פעמיים במים ושלוש פעמים באתנול כדי להסיר את חומצה ההידרוכלורית שנותרה. במהלך כל תהליך שטיפה, הוסיפו מים או אתנול גובה של סנטימטר אחד מעל המוצק והמתינו לייבוש החומר. העבירו את המשקע מהסינון לכורח קרמי לצורך קלצינציה בתנור.

הגדירו את תוכנית העלייה בטמפרטורה כך שתעלה מ-25 ל-550 °C במשך שעתיים, ותשמור על 550 °C למשך ארבע שעות. לאחר מכן, השאירו את הדגימה בתוך התנור כשהדלת סגורה עד שהטמפרטורה תרד מתחת ל-40 °C. לאחר השריפה, העבירו את התוצר לבקבוק זכוכית באמצעות שפכטל פלסטיק; לחומר המסונתז יש צבע אדום כתוצאה מחמצון של benzo alcohol.

כתגובת ייחוס, חומרי ה-GMS נבדקו והראו סלקטיביות גבוהה ויכולת מיחזור. מאחר שחמצון של benzo alcohol הוא תגובה בשלב נוזלי ללא ממס נפרד, העבר 5 mL של benzo alcohol לבקבוק תלת-צווארי בנפח 25 mL. לאחר מכן, הוסף 10 mg של זרז ה-GMS אל ה-benzo alcohol.

הכינו אמבט שמן עם בקרת טמפרטורה וערבול מגנטי ב-100 °C, כדי להבטיח בקרה מדויקת ואחידה של טמפרטורת התגובה. הניחו את הבקבוק המכיל benzoyl alcohol וזרז בתוך אמבט השמן וערבבו במהירות של 150 rpm.

הזרים גז חמצן בטוהר של 99.9% אל הבקבוק בקצב של שני מיליליטר לדקה, תחת בקרה של בקר זרימה מסית (mass flow controller). כאשר טמפרטורת אמבט השמן תגיע ל-100 °C ותתייצב, הכנס גז חמצן אל הבקבוק בעל שלושת הפיות. שמור על קצב זרימת החמצן ועל הטמפרטורה קבועים, ואפשר לתגובה להמשיך במשך שש שעות.

לאחר התגובה, סננו את המוצר באמצעות נייר סינון מספר 1. אספו את הפאזה הנוזלית והעבירו אותה לבקבוק עבור כרומטוגרפיה גזית; לבקבוק הוסיפו ארבעה חלקים של חומצה אצטית בדרגת HPLC עבור כל חלק אחד של דגימה. הניחו את הבקבוק בדוגם אוטומטי של כרומטוגרף גז לצורך אנליזה.

שטפו את המשקע המוצק שעל נייר הסינון במים דאיוניים ולאחר מכן באתנול, לפני שמאפשרים למשקע להתייבש באוויר בעזרת שפכטל. אספו את המוצק המיובש, שהוא הזרז המומחזר. חזרו על הליך זה עם הזרז המומחזר שלוש פעמים בכל חזרה, תוך התאמת כמות ה-benzo alcohol כך שיחסו של הזרז המומחזר יישאר קבוע.

שקלו שלוש מנות נפרדות של 300 milligram של GMS מסונתז. העבירו את המנות של ה-GMS המסונתז למבחנות זכוכית המסומנות כסדרה אחת, סדרה שתיים וסדרה שלוש. סדרה אחת תשמש כקבוצת הביקורת, בעוד שסדרה שתיים וסדרה שלוש יעברו עיבוד תרמי.

תכנתו את התנור לעלייה מדורגת מ-25 °C ל-400 °C במשך 0.5 שעות, ולאחר מכן לשמירה על 400 °C למשך ארבע שעות. הכניסו את סדרה שנייה לכור והפעילו את התוכנית, תוך השארת הדגימה בתוך התנור עם הדלת סגורה עד שטמפרטורה תרד מתחת ל-40 °C. עבור סדרה שלישית, תכנתו את התנור לעלייה מדורגת מ-25 °C ל-650 °C במשך 0.75 שעות ושמירה על 650 °C למשך ארבע שעות.

הניחו את מנה שלוש בכ crucible והפעילו את התוכנית כפי שנעשה קודם לכן. השאירו את הדגימה בתוך הכבשיר כשהדלת סגורה עד שהטמפרטורה במכשיר ה-fiz absorption תרד מתחת ל-40 °C. בצעו DGA לחומרי ה-GMS בטמפרטורה של 90 °C למשך 60 דקות, ולאחר מכן ב-350 °C למשך 480 דקות.

בצע ניתוח איזותרמה מלא על חומרי ה-DGAs כדי לקבל נתוני ספיחה. פזר את דגימת ה-GMS על רשת למיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) מזהב בדרגת רשת 200, ובחן את הדגימה תחת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר. בנוסף, בצע עקיפת קרני X עם קרינת נחושת K alpha כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב.

תמונת TEM של ה-GMS חושפת כי מטריצת הסיליקה יצרה תעלים ארוכים ומוגדרים היטב עם דופן יציבה. קוטר הנקבוביות נמצא להיות כ-5 ננומטרים ובצורה משושה, כפי שמאפיין סיליקה מזופורית. השוואה בין איזותרמת ספיחת גז לפי BET של מטריצת סיליקה ללא שילוב של זהב, לבין האיזותרמה של GMS עם זהב המשולב בדפנות, מעלה כי אין הבדל משמעותי בין שני החומרים.

שניהם מראים את הצורה הטיפוסית של חומרים מזופוריים עם לולאת היסטרזיס, המצביעה על כך שהאינטראקציה עם הזהב לא גרמה לשינוי במבנה הנקבוביות. מוצגים גם מבנה הנקבוביות לפי BET והתפלגות הנקבוביות לפי BJH עבור חומר GMS שעבר קלצינציה בטמפרטורות שונות. קלצינציה בטמפרטורה גבוהה לא שינתה את המטריצה של הסיליקון המזופורי.

בנוסף, הן מבנה הנקבים והן התפלגות הנקבים נותרו ללא שינוי לאחר טיפול תרמי בטמפרטורה של עד 650 °C, מה שמעיד על כך שהזהב לא עבר אגרגציה ולא חסם את הנקבים. היציבות התרמית של הזהב ב-GMS מאומתת עוד יותר על ידי דיפרקציית קרני X, באמצעות תבנית הדיפרקציה של חומר ה-GMS שעבר קלצינציה בטמפרטורות שונות. מיקום השיא, עוצמת השיא ורוחב השיא אינם מראים כל שינוי כתוצאה מתהליך הקלצינציה, מה שמעיד על כך שחלקיקי הזהב לא שינו את גודלם או את המורפולוגיה שלהם.

כאשר מומחים מבצעים זאת, ניתן להשלים טכניקה זו תוך 120 שעות אם היא מבוצעת כראוי. בעת ניסיון סינתזה זו, חשוב לשלוט בתנאי התגובה בדיוק רב, שכן חומר התבנית רגיש לשינויים קטנים ב-pH, בטמפרטורה ובריכוז. יישום טכנולוגיה זו סיפק לחוקרים פרדיגמה שבאמצעותה ניתן להקנות יציבות תרמית למערכות קטליזטורים. הדבר מיושם כיום במערכות לשדרוג ביומסה ובטכנולוגיות אנטי-קורוזיה עבור פורטפוליו רחב של טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת.