Name: preparation of biopolymer aerogels using green solvents
Uploaded: 2016-07-04T14:00:00.000+00:00
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Die finanzielle Unterstützung von DFG (Projekte SM 82 / 13-1) wird gedankt.

1. Herstellung von amidierten Pektins Stammlösung <ol><li> Mischen Sie 20 g amidiertes Pektin mit 980 g Wasser (2,0 Gew%). Der Grad der Amidierung ist 25 Gew%. </li><li> Homogenisieren der Lösung mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer (10.000 rpm) für 2 min eine homogene viskose Lösung erhalten wurde. </li><li> Messen Sie pH-Wert mit pH-Streifen oder pH-Meter. Wenn der pH niedriger als 6,5 ist, titriert mit 0,5 M NaOH, die Lösung (auf pH 7,0) zu neutralisieren. </li><li> Hinzufügen Calciumcarbonat in einem Verhältnis von 0,1825 g pro Gramm Trocken amidiertes Pektin (q = 1). &quot;Q&quot; bezeichnet den Grad der Vernetzung. </li><li> Für 1 kg 2,0 Gew% amidierte Pektin - Lösung, fügen 3,65 g Calciumcarbonat (q = 1) 7 pro 20,0 g trockenes Pektin. </li><li> Zur besseren Vernetzung, fügen 0,3650 g Calciumcarbonat pro Gramm Trocken amidierte Pektin (q = 2). </li></ol> 2. Herstellung von Hydrogelen <ol><li> Homogenisieren amidiertes Pektin / Calciumcarbonat Gemisch mit der hohen Geschwindigkeit Homogenisator (10.000 Umdrehungen pro Minute) unter Verwendung eines zu erhaltenweiß homogene Dispersion. </li><li> Übertragen Sie die Suspension in offenen Polypropylen-Formen oder Petrischalen aus Glas. </li><li> Legen Sie die Formen in den Hochdruckautoklaven. Siegel des Autoklaven. </li><li> Belüften Sie den Autoklav mit gasförmigem CO 2 bis zu 5 MPa bei RT. Siehe Gurikov et al. 7 für weitere Informationen. Behalten Sie den Druck für 24 Stunden. </li><li> drucklos langsam den Autoklaven bei 0,2 MPa / min. </li><li> Öffnen Sie den Autoklaven und entfernen Sie die Formen. Entfernen Sie die Hydrogele aus den Formen von ihnen umdrehen. Falls erforderlich, einen Spatel verwenden. </li></ol> 3. Lösungsmittelaustauschverfahren <ol><li> Herstellung von 10 g 10:90 (w / w) Ethanol / Wasser-Gemisch pro Gramm Hydrogel. </li><li> Tauchen Sie die Hydrogele in der 10:90 (w / w) Ethanol / Wasser-Gemisch 12 Std. </li><li> Diesen Prozess mit zunehmender Ethanolkonzentrationen, dh von 10:90 (w / w) Ethanol / Wasser - Gemisch 30:70 (w / w) Ethanol / Wasser - Gemisch. Nach 12 Stunden, Transfer zum 500.50 (w / w) Ethanol / Wasser-Gemisch, dann in 70:30 (12 h), dann 90:10 (12 h), und dann auf 100% igen Ethanollösung (12 h). </li><li> Einweichen des Gels weiter in reinem Ethanol, so dass die Endkonzentration innerhalb des Gels mehr als 98% (w / w). Messen Sie die Konzentration der Dichtemessgerät verwenden. Die Alcogel ist nun bereit für die überkritische Trocknung CO 2. </li></ol> 4. Herstellung von Aerogelen von überkritischem CO 2 Trocknung <ol><li> Legen Sie die Proben in der gleichen Hochdruck-Autoklaven für Hydrogel-Herstellung verwendet (siehe Schritt 2.3). </li><li> Füllen Sie den Autoklaven mit zusätzlichem Ethanol (2-10% des Autoklavenvolumen) vorzeitiges Verdampfen des Lösungsmittels aus den Gelen zu verhindern. Vollständiges Eintauchen des Gels in dem Lösungsmittel nicht erforderlich ist. </li><li> Siegel des Autoklaven. Schalten Sie den Autoklav Heizung. Stellen Sie den Autoklaven Arbeitstemperatur bis 323 K. Beaufschlagen der Autoklav mit Kohlendioxid bis 12 MPa einen Kompressor oder Pumpe. </li><li> Ersetzen Sie regelmäßig die CO 2im Inneren des Autoklaven 10,11 mit frischem CO 2 , um den Druck konstant zu halten. 6-7 Wohnsitz Volumina werden über einen Zeitraum von 6 Stunden erforderlich. Siehe Gurikov et al. 7 für weitere Informationen. </li><li> drucklos langsam den Autoklaven bei 0,2 MPa / min. </li><li> Öffnen Sie den Autoklaven und sammeln das Aerogel. Lagern Sie das Aerogel in einem Exsikkator oder einem verschlossenen Behälter. </li></ol>

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Durch die Verwendung des CO 2 induzierte Gelierung Technik kann man den Bedarf an chemischen Substitute (beispielsweise Essigsäure oder Glucono - delta-lacton (GDL)) eliminieren zum Induzieren der Vernetzung des Biopolymers erforderlich. Die Oberflächenbereiche der amidiertes Pektin Aerogele sind in den höheren Bereichen der Literaturwerte 5, jedoch die Porenvolumina als 5 in der Literatur dargestellt sind , viel höher sind. Höhere Porenvolumina wurden auch für Alginat - Aerogele , die durch CO 2 induzierte Gelierung 7 beobachtet. Es bleibt jedoch, ob der Grund für diese hohen Porenvolumen (4-150 nm Porengrößenbereich) zurückzuführen ist bisher nicht in der Literatur behandelt das Gelieren Technik oder eine inhärente Eigenschaft der Biopolymere überprüft werden. Pectin Aerogele wurden in der Literatur berichtet , besitzen die durch diese Technik hergestellten Eigenschaften 12 und Alginat Aerogele superinsulating besitzen auch Wärmeleitfähigkeiten im Bereich superinsulating3,7. Daher können die amidierten Pektin Aerogele durch diese Technik erzeugt auch zu besitzen superinsulating Eigenschaften in Betracht gezogen werden. Die Rate der Entspannung in Protokoll Abschnitt 2 ist ein wichtiger Schritt in der Hydrogelpräparat. Schnelle Entspannung kann zu erhöhten Makroporosität der Gele führen. Dieses Phänomen kann für Tissue - Engineering - Anwendungen angewendet werden , wo Makroporosität des Materials mit Zusammenschaltbarkeit ist ein wichtiges Merkmal für das Wachstum und die Proliferation von Zellen , 13,14. Darüber hinaus spielt der Vernetzungsgrad in Protokoll Abschnitt 1 eine wichtige Rolle bei der Synärese und Quellvermögen der amidiertes Pektin Hydrogelen. Dies ist ähnlich zu Alginat - Hydrogele , deren Quellverhalten durch die Vernetzerkonzentration beeinflusst wird und 15. Dadurch Aerogelen von amidierten Pektins aus kann auch superabsorbierende Eigenschaft besitzen , die denen für Alginat Aerogele 16 berichtet abgestimmt werden. &lt;p class = &quot;jove_content&quot;&gt; Durch die CO 2 induzierte Gelierung mit Berücksichtigung amidiertes Pektin (oder Alginat) als primäres System, weitere Vielfalt kann in die Aerogele eingebaut werden , indem man verschiedene Quer Einführung Mittel und Biopolymer Kombinationen verbinden. Mehrere Metallcarbonate (zB Zink, Nickel, Kobalt, Kupfer, Strontium, Barium) verwendet werden zur Vernetzung 3, wobei Kationen können mit unter Druck stehendem CO 2 (3-5 MPa) in wässrigen Medien von pH freigesetzt werden senken. Jedoch unlösliche Salze einiger dieser Kationen können keine stabilen Dispersionen für niedrigere Biopolymer Konzentrationen bilden und am Boden zu inhomogen Gele sesshaft führt. Dies ist ein allgemeines Problem mit der internen Einstellung Gelieren Verfahren einschließlich CO 2 induzierte Gelierung 3 und damit sollte die Usability - Technik für eine Anwendung von Fall zu Fall beurteilt werden. Verschiedene Mischungen hergestellt wasserlösliche Bio mitPolymere, wie Stärke, Carrageen, Methyl- und Carboxymethylcellulose, Gellan-Gummi, Lignin, Gelatine und andere; wasserlösliche synthetische Polymere wie Polyethylenglykol (PEG), Polyvinylalkohol (PVA), Pluronic P-123 und andere; und wasserlösliche anorganische Precursoren wie Natriumsilikat kann auch mit amidierten Pektin gemischt werden , um Hybrid - Aerogele produzieren ähnlich 2 mit einstellbaren Eigenschaften Alginat. Als überkritischem CO 2 Trocknen (scCO 2 Trocknen) ist eine Quintessenz Schritt in Aerogel Produktion, eine beliebige Kombination von Vorverarbeitungsschritte wie Lösungsmittelaustausch und Trocknen unter Verwendung von CO 2 17,18 oder Gelieren, Lösungsmittelaustausch und Trocknen unter Verwendung von CO 2 7 liefern könnte eine klare Verarbeitungsvorteil. Der Vorteil wird als integrierte Ein - Topf - Verfahren in Betracht gezogen: worin Biopolymer Dispersionen können in Biopolymer Aerogele unter Verwendung von CO 2 als Hauptverarbeitungsmedium in einem Autoklaven umgesetzt werden. FürGelieren, Lösungsmittelaustausch, überkritische Trocknung und aktive Komponente Lade 5,19 Prozess in einem einzigen Autoklaven unter Verwendung von CO 2 als Verarbeitungsmedium: bestimmte pharmazeutische Anwendungen, kann man auch einen vierstufigen Envision durchführen. Nachbehandlung , wie Schutzbeschichtung von Wirkstoff beladen Aerogele in bestimmten Fällen ist für eine gezielte Arzneimittelfreisetzung 20 notwendig. Abschließend zeigt die vorliegende Arbeit die Verwendung von unter Druck stehendem CO 2 für die Gelierung von amidiertes Pektin basierten Systemen. Darüber hinaus wird die Verwendung von unter Druck stehendem CO 2 als ein gemeinsames Medium für Vorläufer zur Produktumsetzung für Zielanwendungen in einem einzigen Autoklaven vorgesehen.

Aerogele sind eine Klasse von porösen Materialien, die aus anorganischem (wie Siliciumdioxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid und andere), synthetische (wie Resorcin-Formaldehyd, Polyurethan und andere) oder Biopolymeren (Polysaccharide, Proteine ​​und andere Bereich mit einer Vielzahl von Vorläufern hergestellt werden kann, 2). Was unterscheidet sie von den herkömmlichen porösen Materialien ist ihre Fähigkeit, gleichzeitig alle drei Eigenschaften besitzen; nämlich mit großer Oberfläche, ultra-niedriger Dichte und mesoporöse Porengrößenverteilung (dh Porengrößen von 2 bis 50 nm). Mit vorgenannten Eigenschaften Aerogele sind in den Bereichen der Isolierung, der Biomedizin, der Katalyse, Adsorption und Absorption von Anwendungen, Pharmazeutika und Nutraceuticals 2 extensiv angewandt. Unter Berücksichtigung der oben genannten Möglichkeiten, öffnet sich die Herstellung von Biopolymer-Gel-Systeme und deren anschließende Umwandlung in Aerogele eine Vielzahl von Möglichkeiten zu hohen Wert bis hinzugefügt Bio basiertMaterialien. Eine solche Bemühung ist in dieser Studie unter Verwendung von amidierten Pektins als Beispiel aufgenommen. Aerogele werden typischerweise durch das Sol-Gel-Technik hergestellt. Gele sind Systeme von Flüssigkeit aus in einer Matrix eingeschlossen und können durch kovalente, ionische, pH induzierten, thermischen oder Kryo Vernetzungs 3 hergestellt werden. Für diese bestimmte System verwenden wir ionische Vernetzung, das heißt, ein zweiwertiges Kation (zB Calcium) biopolymeren Ketten miteinander zu vernetzen. Auszuführen steuerbarer ionische Vernetzung von Biopolymeren , wie beispielsweise amidierten Pektin oder Alginat, kann man den Diffusionsverfahren oder das interne Einstellverfahren 4 verwenden. In dem Diffusionsverfahren tritt Gelierung zunächst in der äußeren Schicht durch Diffusion Ausbreitungs gefolgt, wie die Kationen von der äußeren Lösung in eine amidierte Pektin oder Alginat - Tröpfchen oder Schicht 4 diffundiert. In dem internen Einstellverfahren wird die unlösliche Form des Vernetzers homogen in dem Biopolymer solutio dispergierten und Kationen werden durch Einleiten einer pH - Änderung 4,5,6 freigegeben. Allerdings stehen beide Techniken ein Problem in Bezug auf die Homogenität des fertigen Gels, wenn in Platten- oder monolithischer Form hergestellt. Diese Arbeit zeigt die Verwendung von Hochdruck - CO 2 (5 MPa) für die Herstellung von amidierten Pektin Hydrogele Aufbau weiter auf früheren Arbeiten auf Alginatgelen 3,7. Kurz gesagt, ist es eine interne Einstellung Gelieren Technik , die zwei unter Druck stehende CO nutzt pH anstelle von schwachen Säuren zu reduzieren homogene Gele herzustellen. Mit einer Erhöhung des Drucks, begleitet die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser steigt durch eine Absenkung des pH auf 3,0 8. Dies bewirkt, dass Calciumcarbonat löslich zu machen, die Calciumionen freigesetzt wird. Die Calciumionen vernetzt mit dem amidierten Pektins Biopolymer Hydrogele zu erhalten. Stabile homogene Gele bis zu sehr niedrigen Konzentrationen Biopolymer (0,05 wt%) konnte mit dieser Technik 7 hergestellt werden. als gelation in einem wässrigen Medium, Lösungsmittelaustausch zu einem organischen Lösungsmittel erfolgt im CO zu einer Mischungslücke infolge erforderlich 2 / Wasser - System. Typischerweise niedermolekularen Alkoholen (Methanol / Ethanol / Isopropanol) und Ketone (Aceton) für die Lösungsmittelaustauschverfahren verwendet werden. Jedoch direkte Einweichen in einem Bad mit reinem Ethanol oder anderen organischen Lösungsmitteln führt zu erheblichen irreversiblen Schrumpf. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird schrittweise Lösungsmittelaustausch 5,9 durchgeführt. Wenn die Lösungsmittelkonzentration innerhalb des Gels erreicht&gt; 98%, wird das organische Lösungsmittel mit überkritischem CO 2 getrocknet (12 MPa) hinter einem Aerogel zu verlassen.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultraturrax homogenizer</td><td>IKA, Germany</td><td>T 25 Digital</td><td></td></tr><tr><td>Polypropylene molds</td><td>TH. Geyer, Germany</td><td>9,033,201</td><td></td></tr><tr><td>High pressure autoclave&amp;nbsp;</td><td>Ernst Haage, Germany</td><td>custom made</td><td>Setup constuction done in-house</td></tr><tr><td>Compressor</td><td>Andreas Hofer</td><td>MKZ 185-40</td><td>Setup constuction done in-house</td></tr><tr><td>Nitrogen adsorption</td><td>Quantachrome</td><td>Nova 4000e</td><td></td></tr><tr><td>Density meter</td><td>Anton Paar</td><td>DMA 4000</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Amidated pectin</td><td>Herbstreith and Fox, Germany</td><td>CU 025</td><td>CAS # 56645-02-4; provided by company for research purposes</td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide</td><td>Sigma Aldrich, Germany</td><td>S8045</td><td>CAS # 1310-73-2; required only in case the pectin solution needs to be neutralized to pH 6.5-7.5</td></tr><tr><td>Calcium carbonate</td><td>Magnesia GmbH, Germany</td><td>4421 Calcium carbonat, leicht, pr&amp;auml;zipitiert, EP, E170</td><td>CAS # 471-34-1</td></tr><tr><td>Ethanol, 99.8%</td><td>Sigma Aldrich, Germany</td><td>32205</td><td>CAS # 64-17-5</td></tr><tr><td>Carbon dioxide, 99.9%</td><td>AGA Gas GmbH, Germany</td><td></td><td>CAS # 124-38-9; in-house tank available (3 ton)</td></tr><tr><td>Deionised Water</td><td></td><td></td><td>CAS # 7732-18-5;&amp;nbsp; available in-house (6.4-7.0 pH)</td></tr></tbody></table>

preparation of biopolymer aerogels using green solvents

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers (gelatin, agar, cellulose), only recently have biomasses been recognized as an abundant source of chemically diverse macromolecules for functional aerogel materials. Biopolymer aerogels (pectin, alginate, chitosan, cellulose, etc.) exhibit both specific inheritable functions of starting biopolymers and distinctive features of aerogels (80-99% porosity and specific surface up to 800 m2/g). This synergy of properties makes biopolymer aerogels promising candidates for a wide gamut of applications such as thermal insulation, tissue engineering and regenerative medicine, drug delivery systems, functional foods, catalysts, adsorbents and sensors. This work demonstrates the use of pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the ionic cross linking of amidated pectin into hydrogels. Initially a biopolymer/salt dispersion is prepared in water. Under pressurized CO2 conditions, the pH of the biopolymer solution is lowered to 3 which releases the crosslinking cations from the salt to bind with the biopolymer yielding hydrogels. Solvent exchange to ethanol and further supercritical CO2 drying (10 - 12 MPa) yield aerogels. Obtained aerogels are ultra-porous with low density (as low as 0.02 g/cm3), high specific surface area (350 - 500 m2/g) and pore volume (3 - 7 cm3/g for pore sizes less than 150 nm).

Die typischen Hydrogele nach dem Gelieren Schritt mit einer höheren Vernetzungsgrad (q = 2) erhalten (wie in Abschnitt Protokoll - 2 angegeben) sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Proben auf der linken Seite (Probe A und B) sind die 2 Gew% und 1 Gew% Pektingelen durch CO 2 induzierte Gelierung erhalten. Durch die Verringerung der Biopolymer-Konzentration (0,5 Gew% oder weniger), werden die Gele transparent (Probe C). Eine weitere Verringerung der Biopolymer-Konzentration (0,25 Gewichts-%) ergibt auch eine stabile Hydrogele (Probe D), aber diese Gele sind sehr empfindlich und können brechen beim Umgang. Die Blasen in den Hydrogelen beobachtet werden während der Entspannungs erstellt , wenn das gelöste CO 2 , das Gel Wassersystem aufgrund Abnahme der CO 2 Löslichkeit verlässt. Die amidiertes Pektin Aerogel Merkmale in der Tabelle dargestellt werden 1. Die erhaltenen Aerogele sind hochporöse mit niedrigen Höhle<html> sität (so niedrig wie 0,013 g / cm 3) als das Verhältnis zwischen der Masse des Aerogels und sein Volumen gemessen. Die Oberfläche wird durch das Stickstoff-Adsorptionsverfahren gemessen. Für Pektin Aerogele, ergab es eine spezifische Oberfläche zwischen 350 - 500 m 2 / g. Das Porenvolumen für Porengrößen im 4-150 nm-Bereich wird durch die Kelvin-Modell der Porenfüllung unter Verwendung von Stickstoff (BJH-Methode) gemessen. Das Porenvolumen für die amidierten Pektins Aerogele lag zwischen 3 bis 7 cm 3 / g für Porengrößen zwischen 4 und 150 nm. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54116/54116fig1.jpg" /> Abbildung 1. amidierten Pektin Hydrogele mit einem höheren Vernetzungsgrad (q = 2) Oben links: 2 Gew% (Probe A);. oben rechts: 1 Gew% (Probe B); unten links: 0,5 Gew% (Probe C); rechts unten: 0,25 Gew% (Probe D). Die Gele werden transparent mit Biopolymer-Konzentration abnimmt. Die Blasen werden während der CO 2 Druckentlastungs hergestellt.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Pektin - Konzentration [Gew%] </td><td> Vernetzungsgrad q </td><td> Schüttdichte [g / cm 3] </td><td> Spezifische Oberfläche [m 2 / g] </td><td> Spezifische Porenvolumen [cm 3 / g] </td><td> Durchschnittliche Porengröße (Durchmesser) [nm] </td></tr><tr><td> 2.00 </td><td> 1 </td><td> 0,081 </td><td> 502 </td><td> 4.1 </td><td> 14 </td></tr><tr><td> 1,00 </td><td> 1 </td><td> 0,044 </td><td> 491 </td><td> 7.1 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 0,50 </td><td> 1 </td><td> 0,035 </td><td> 357 </td><td> 3.8 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 0,25 </td><td> 1 </td&gt; <td> 0,013 </td><td> 335 </td><td> 4.9 </td><td> 41 </td></tr><tr><td> 2.00 </td><td> 2 </td><td> 0,069 </td><td> 447 </td><td> 3.1 </td><td> 13 </td></tr><tr><td> 1,00 </td><td> 2 </td><td> 0,048 </td><td> 441 </td><td> 3.6 </td><td> 26 </td></tr><tr><td> 0,50 </td><td> 2 </td><td> 0,030 </td><td> 429 </td><td> 5.8 </td><td> 25 </td></tr><tr><td> 0,25 </td><td> 2 </td><td> 0,017 </td><td> 347 </td><td> 5.0 </td><td> 24 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Eigenschaften der amidierten Pektin Aerogele.

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Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO2) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO2 (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO2 are water and ethanol.

Herstellung von Biopolymer Aerogele unter Verwendung der grünen Lösungsmittel

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers ...

preparation-of-biopolymer-aerogels-using-green-solvents

Research

JoVE Journal

Chemistry

17.6K Aufrufe.  Hamburg University of Technology. A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO2) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO2 (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO2 are water and ethanol.

Serie: Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The procedure requires 15-20 min of preparation time, during which a liquid precursor mixture is prepared and poured into wells of a metal mold that is placed between the platens of a hydraulic hot press, followed by several hours of processing within the hot press. The precursor solution consists of a 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10-3 molar ratio of tetramethylorthosilicate (TMOS):methanol:water:ammonia. In each well of the mold, a porous silica sol-gel matrix forms. As the temperature of the mold and its contents is increased, the pressure within the mold rises. After the temperature/pressure conditions surpass the supercritical point for the solvent within the pores of the matrix (in this case, a methanol/water mixture), the supercritical fluid is released, and monolithic aerogel remains within the wells of the mold. With the mold used in this procedure, cylindrical monoliths of 2.2 cm diameter and 1.9 cm height are produced. Aerogels formed by this rapid method have comparable properties (low bulk and skeletal density, high surface area, mesoporous morphology) to those prepared by other methods that involve either additional reaction steps or solvent extractions (lengthier processes that generate more chemical waste).The rapid supercritical extraction method can also be applied to the fabrication of aerogels based on other precursor recipes.

This article describes a rapid supercritical extraction method for fabricating silica aerogels. By utilizing a confined mold and hydraulic hot press, monolithic aerogels can be made in eight hours or less.

Vorbereiten Silica Aerogel Monolithen über eine schnelle Überkritische Extraktion-Methode

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The ...

Forschung

Chemie

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. Additionally, most reported graphene assemblies are held together through physical interactions (e.g., van der Waals forces) rather than chemical bonds, which limit their mechanical strength and conductivity. This video method details recently developed strategies to fabricate mass-producible, graphene-based bulk materials derived from either polymer foams or single layer graphene oxide. These materials consist primarily of individual graphene sheets connected through covalently bound carbon linkers. They maintain the favorable properties of graphene such as high surface area and high electrical and thermal conductivity, combined with tunable pore morphology and exceptional mechanical strength and elasticity. This flexible synthetic method can be extended to the fabrication of polymer/carbon nanotube (CNT) and polymer/graphene oxide (GO) composite materials. Furthermore, additional post-synthetic functionalization with anthraquinone is described, which enables a dramatic increase in charge storage performance in supercapacitor applications.

This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

Synthese und Funktionalisierung von 3D-Graphen-Nano Materialien: Graphene Aerogele und Graphene Macro Assemblies

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

Ingenieurwesen

Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three preparation methods are described: (a) the incorporation of metal salts into silica or alumina wet gels using an impregnation method; (b) the incorporation of metal salts into alumina wet gels using a co-precursor method; and (c) the addition of metal nanoparticles directly into a silica aerogel precursor mixture. The methods utilize a hydraulic hot press, which allows for rapid (&#60;6 h) supercritical extraction and results in aerogels of low density (0.10 g/mL) and high surface area (200-800 m2/g). While the work presented here focuses on the use of copper salts and copper nanoparticles, the approach can be implemented using other metal salts and nanoparticles. A protocol for testing the three-way catalytic ability of these aerogels for automotive pollution mitigation is also presented. This technique uses custom-built equipment, the Union Catalytic Testbed (UCAT), in which a simulated exhaust mixture is passed over an aerogel sample at a controlled temperature and flow rate. The system is capable of measuring the ability of the catalytic aerogels, under both oxidizing and reducing conditions, to convert CO, NO and unburned hydrocarbons (HCs) to less harmful species (CO2, H2O and N2). Example catalytic results are presented for the aerogels described.

Here we present protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms. Methods for preparing materials using copper salts and copper-containing nanoparticles are featured. Catalytic testing protocols demonstrate the effectiveness of these aerogels for three-way catalysis applications.

Herstellung und Prüfung von katalytischen Aerogelen über schnelle überkritische Extraktion vorbereitet

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three ...

A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various precursor noble metal ions with reducing agents in a 1:1 (v/v) ratio results in the formation of metal gels within seconds to minutes compared to much longer synthesis times for other techniques such as sol-gel. Conducting the reduction step in a microcentrifuge tube or small volume conical tube facilitates a proposed nucleation, growth, densification, fusion, equilibration model for gel formation, with final gel geometry smaller than the initial reaction volume. This method takes advantage of the vigorous hydrogen gas evolution as a by-product of the reduction step, and as a consequence of reagent concentrations. The solvent accessible specific surface area is determined with both electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. After rinsing and freeze drying, the resulting aerogel structure is examined with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, and nitrogen gas adsorption. The synthesis method and characterization techniques result in a close correspondence of aerogel ligament sizes. This synthesis method for noble metal aerogels demonstrates that high specific surface area monoliths may be achieved with a rapid and direct reduction approach.

A rapid, direct solution-based reduction synthesis method to obtain Au, Pd, and Pt aerogels is presented.

Eine schnelle Synthese-Methode für Au, Pd und Pt-Aerogelen über lösungsorientierte Direktreduktion

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various ...

Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often result in fragile aerogels with poor shape control. The use of carboxymethylated cellulose nanofibers (CNFs) to form a covalently bonded hydrogel allows for the reduction of metal ions such as palladium on the CNFs with control over both nanostructure and macroscopic aerogel monolith shape after supercritical drying. Crosslinking the carboxymethylated cellulose nanofibers is achieved using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) in the presence of ethylenediamine. The CNF hydrogels maintain their shape throughout synthesis steps including covalent crosslinking, equilibration with precursor ions, metal reduction with high concentration reducing agent, rinsing in water, ethanol solvent exchange, and CO2 supercritical drying. Varying the precursor palladium ion concentration allows for control over the metal content in the final aerogel composite through a direct ion chemical reduction rather than relying on the relatively slow coalescence of pre-formed nanoparticles used in other sol-gel techniques. With diffusion as the basis to introduce and remove chemical species into and out of the hydrogel, this method is suitable for smaller bulk geometries and thin films. Characterization of the cellulose nanofiber-palladium composite aerogels with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, thermal gravimetric analysis, nitrogen gas adsorption, electrochemical impedance spectroscopy, and cyclic voltammetry indicates a high surface area, metallized palladium porous structure.

A synthesis method for cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented.The resulting composite aerogel materials offer potential for catalysis, sensing, and hydrogen gas storage applications.

Synthesemethode für Cellulose Nanofaser Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often ...

Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity

Applications such as sensors, batteries, and fuel cells have been improved through the use of highly porous aerogels when functional compounds are encapsulated within the aerogels. However, few reports on encapsulating proteins within sol&#8211;gels that are processed to form aerogels exist. A procedure for encapsulating cytochrome c (cyt. c) in silica (SiO2) sol-gels that are supercritically processed to form bioaerogels with gas-phase activity for nitric oxide (NO) is presented. Cyt. c is added to a mixed silica sol under controlled protein concentration and buffer strength conditions. The sol mixture is then gelled and the liquid filling the gel pores is replaced through a series of solvent exchanges with liquid carbon dioxide. The carbon dioxide is brought to its critical point and vented off to form dry aerogels with cyt. c encapsulated inside. These bioaerogels are characterized with UV-visible spectroscopy and circular dichroism spectroscopy and can be used to detect the presence of gas-phase nitric oxide. The success of this procedure depends on regulating the cyt. c concentration and the buffer concentration and does not require other components such as metal nanoparticles. It may be possible to encapsulate other proteins using a similar approach making this procedure important for potential future bioanalytical device development.

Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity

This procedure describes how to encapsulate cytochrome c (cyt. c) in silica (SiO2) sol-gels, process these gels to form bioaerogels, and use these bioaerogels to rapidly recognize nitric oxide (NO) through a gas-phase reaction. This type of protocol may aid in the future development of biosensors or other bioanalytical devices.

Einkapseln Cytochrome<em&gt; c</em&gt; In Silica Aerogel-Nanoarchitekturen ohne Metallnanopartikel unter Beibehaltung der Gasphase Bioaktivität

Applications such as sensors, batteries, and fuel cells have been improved through the use of highly porous aerogels when functional compounds are ...

Biotechnik

Forming Giant-sized Polymersomes Using Gel-assisted Rehydration

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier properties, chemical versatility and tunable physical characteristics. Typical methods used to prepare giant-sized (&gt; 4 &#181;m) vesicles, however, are both time and labor intensive, yielding low numbers of intact polymersomes. Here, we present for the first time the use of gel-assisted rehydration for the rapid and high-yielding formation of giant (&gt;4 &#181;m) polymer vesicles (polymersomes). Using this method, polymersomes can be formed from a wide array of rehydration solutions including several different physiologically-compatible buffers and full cell culture media, making them readily useful for biomimicry studies. This technique is also capable of reliably producing polymersomes from different polymer compositions with far better yields and much less difficulty than traditional methods. Polymersome size is readily tunable by altering temperature during rehydration or adding membrane fluidizers to the polymer membrane, generating giant-sized polymersomes (&gt;100 &#181;m).

We present a protocol to rapidly form giant polymer vesicles (pGVs). Briefly, polymer solutions are dehydrated on dried agarose films adhered to coverslips. Rehydration of the polymer films results in rapid formation of pGVs. This method greatly advances the preparation of synthetic giant vesicles for direct applications in biomimetic studies.

Forming Gigantismus Polymersome Mit Gel-unterstützte Rehydrierung

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier ...

Aesthetically Enhanced Silica Aerogel Via Incorporation of Laser Etching and Dyes

A procedure for aesthetically enhancing silica aerogel monoliths by laser etching and incorporation of dyes is described in this manuscript. Using a rapid supercritical extraction method, large silica aerogel monolith (10 cm x 11 cm x 1.5 cm) can be fabricated in about 10 h. Dyes incorporated into the precursor mixture result in yellow-, pink- and orange-tinged aerogels. Text, patterns, and images can be etched onto the surface (or surfaces) of the aerogel monolith without damaging the bulk structure. The laser engraver can be used to cut shapes from the aerogel and form colorful mosaics.

This protocol describes a method for etching text, patterns, and images onto the surface of silica aerogel monoliths in native and dyed form and assembling the aerogels into mosaic designs.

Ästhetisch verbessertes Silica-Aerogel durch Einbau von Laserätzen und Farbstoffen

A procedure for aesthetically enhancing silica aerogel monoliths by laser etching and incorporation of dyes is described in this manuscript. Using a rapid ...

Designed for Molecular Recycling: A Lignin-Derived Semi-aromatic Biobased Polymer

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make a positive effort to solve the issue of polymer materials in the disposal phase after the use phase. In this paper, the production of biobased semi-aromatic polyesters, which can be extracted entirely from biomass such as lignin, is described and visualized. The polymer poly-S described in this paper has thermal properties similar to certain commonly used plastics, such as PET. We developed a Green Knoevenagel reaction, which can efficiently produce monomers from aromatic aldehydes and malonic acid. This reaction has been proven to be scalable and has a remarkably low calculated E-factor. These polyesters with ligno-phytochemicals as a starting point show an efficient molecular recycling with minimal losses. The polyester poly(dihydrosinapinic acid) (poly-S) is presented as an example of these semi-aromatic polyesters, and the polymerization, depolymerization, and re-polymerization are described.

An example of a closed-loop approach towards a circular materials economy is described here. A whole sustainable cycle is presented where biobased semi-aromatic polyesters are designed by polymerization, depolymerization, and then re-polymerized with only slight changes in their yields or final properties.

Entwickelt für molekulares Recycling: Ein aus Lignin gewonnenes halbaromatisches biobasiertes Polymer

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and thus achieving stable water permeability through membranes over time. Here, we report a facile method to prepare hydrogels based on zwitterions for membrane applications. Freestanding films can be prepared from sulfobetaine methacrylate (SBMA) with a crosslinker of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymerization. The hydrogels can also be prepared by impregnation into hydrophobic porous supports to enhance the mechanical strength. These films can be characterized by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to determine the degree of conversion of the (meth)acrylate groups, using goniometers for hydrophilicity and differential scanning calorimetry (DSC) for polymer chain dynamics. We also report protocols to determine the water permeability in dead-end filtration systems and the effect of foulants (bovine serum albumin, BSA) on membrane performance.

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

Synthese von Hydrogelen mit Antifouling-Eigenschaften als Membranen für die Wasserreinigung

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...