Facile preparazione di particelle ultra-fine di idrossido di alluminio con o senza MCP-41 mesoporous in ambienti ambientali

Riepilogo

Una sospensione di nanoparticelle di idrossido di alluminio ultrafine è stata preparata tramite la titolazione controllata di Al (H ₂ O) ³⁺ con L-arginina a pH 4.6 con e senza confini di gabbia all'interno di canali mesoporosi di MCM-41.

Abstract

Una sospensione acquosa di nanogibbsite è stata sintetizzata mediante la titolazione di acido di acido di alluminio [Al (H ₂ O) ₆ ] ³⁺ con L-arginina a pH 4.6. Dal momento che l'idrolisi dei sali di alluminio acquoso è noto per produrre una vasta gamma di prodotti con un'ampia gamma di distribuzioni di dimensioni, una varietà di strumenti all'avanguardia ( cioè ²⁷ Al / ¹ H NMR, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD e BET) sono stati utilizzati per caratterizzare i prodotti di sintesi e l'identificazione dei sottoprodotti. Il prodotto, che era costituito da nanoparticelle (10-30 nm), è stato isolato utilizzando la tecnica della colonna di permeazione di cromatografia gel (GPC). La spettroscopia a raggi infrarossi (FTIR) di trasformazione di Fourier e la diffrazione a raggi X della polvere (PXRD) hanno identificato il materiale purificato come polimorfo di gibbsite di idrossido di alluminio. L'aggiunta di sali inorganici ( es . NaCl) ha indotto la destabilizzazione elettrostatica della sospensione, agglomerando così le nanoparticelle a yieLd Al (OH) ₃ precipitato con grandi particelle. Utilizzando il nuovo metodo sintetico qui descritto, Al (OH) ₃ è stato parzialmente caricato all'interno del quadro mesoporoso altamente ordinato di MCM-41, con dimensioni medie piana di 2,7 nm, producendo un materiale aluminosilicato con entrambe l'ottaedra e tetraedrica Al (O _h / T _d = 1,4). Il contenuto totale di Al, misurato utilizzando spettrometria a raggi X dispersivi a energia (EDX), era dell'11% w / w con un rapporto molare Si / Al di 2.9. Un confronto di bulk EDX con l'analisi elementare di spettroscopia a raggi X a raggi X (XPS) ha fornito informazioni sulla distribuzione di Al all'interno del materiale aluminosilicato. Inoltre, sulla superficie esterna (3.6) è stato osservato un più alto rapporto di Si / Al rispetto alla massa (2.9). L'approssimazione dei rapporti O / Al suggerisce una maggiore concentrazione di gruppi Al (O) ₃ e Al (O) ₄ , vicino al nucleo e alla superficie esterna, rispettivamente. La nuova sintesi di Al-MCM-41 produce una reElevato contenuto Al mantenendo l'integrità della struttura silicea ordinata e può essere utilizzata per applicazioni in cui le nanoparticelle di Al ₂ O ₃ idrate o anidro sono vantaggiose.

Introduzione

I materiali realizzati in idrossido di alluminio sono promettenti candidati per una varietà di applicazioni industriali, tra cui la catalisi, i prodotti farmaceutici, il trattamento dell'acqua e la cosmetica. ^{1 , 2 , 3 , 4} A temperature elevate, l'idrossido di alluminio assorbe una notevole quantità di calore durante la decomposizione per produrre l'allumina (Al ₂ O ₃ ), rendendolo un utile agente di ritardamento della fiamma. ⁵ I quattro polimorfi noti di idrossido di alluminio ( es . Gibbsite, bayerite, nordstrandite e doyleite) sono stati studiati usando tecniche computazionali e sperimentali per migliorare la nostra comprensione della formazione e delle sue strutture ⁶ . La preparazione di particelle di nanoscala è di particolare interesse a causa del loro potenziale per esibire effetti quantistici e proprietà differenti da quelle diR controparti di massa. Le particelle Nanogibbsite con dimensioni all'ordine di 100 nm sono facilmente preparabili in varie condizioni ^{7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} .

Superare le sfide intrinseche associate a ridurre ulteriormente le dimensioni delle particelle è difficile; Quindi, esistono solo pochi casi in cui le particelle nanogibbsite hanno dimensioni sull'ordine di 50 nm. ^{14 , 15 , 16 , 17} Secondo le nostre conoscenze, non ci sono stati resoconti di nanogibbsite particelle inferiori a 50 nm. In parte, questo è attribuito al fatto che le nanoparticelle tendono ad agglomerare a causa dell'instabilità elettrostaticaE l'alta probabilità per la formazione di legami di idrogeno tra le particelle colloidali, in particolare nei solventi prototipali polari. Il nostro obiettivo era quello di sintetizzare piccole nanoparticelle di Al (OH) ₃ utilizzando esclusivamente ingredienti e precursori sicuri. Nel lavoro in corso, l'aggregazione di particelle acquose è stata inibita incorporando un aminoacido ( ossia L-arginina) come tampone e stabilizzatore. Inoltre, è stato riferito che l'arginina contenente guanidina impediva la crescita e l'aggregazione di particelle di idrossido di alluminio per ottenere una sospensione colloidale acquosa con dimensioni medie di 10-30 nm. Si propone qui che le proprietà amfoteriche e zwitterioniche dell'arginina hanno mitigato la carica superficiale delle nanoparticelle di idrossido di alluminio durante l'idrolisi lieve per disfare la crescita delle particelle oltre i 30 nm. Sebbene l'arginina non fosse in grado di ridurre la dimensione di particelle inferiore a 10 nm, tali particelle sono state ottenute sfruttando l'effetto di confinamento "gabbia"Hin i mesopori di MCM-41. La caratterizzazione del materiale composito Al-MCM-41 ha rivelato le nanoparticelle ultrafine di idrossido di alluminio all'interno della silice mesoporosa, che ha una dimensione media di pori di 2,7 nm.

Protocollo

1. Sintesi di Al (OH) ₃ Nanoparticle

1. Sciogliere 1,40 g di esaliduro di cloruro di alluminio in 5,822 g di acqua deionizzata.
2. Aggiungere 2,778 g di L-arginina alla soluzione acquosa di cloruro di alluminio sotto agitazione magnetica. Aggiungere lentamente l'L-arginina, in modo che l'arginina aggiunta si scioglie e non forma grossi frammenti o frammenti; Inoltre, un'aggiunta lenta riduce le concentrazioni locali di alcalinità e fornisce condizioni per un'idrolisi più controllabile.
3. Una volta che tutta l'arginina si scioglie nella soluzione, scaldare la soluzione per 72 h a 50 ° C; A questo punto, la soluzione può apparire come una sospensione nuvolosa.

2. Precipitare Al (OH) ₃ con NaCl

1. Preparare una colonna GPC che è di 49 in lunghezza e 1.125 di diametro. Imballare il gel in passi successivi di aggiunta di gel e consentendo l'acqua di fluire attraverso la colonna per garantire l'imballaggio corretto, con uno spazio minimo tra le perle di gel. Imballare laGel a circa l'80% della colonna; La quantità di gel imballato varia ogni volta e influenza solo il tempo di ritenzione della specie separata.
2. Introdurre 10 ml di sospensione di nanoparticelle sintetizzata (sintetizzata) al (OH) ₃ (preparata al punto 1.3) nella colonna utilizzando una pompa HPLC con un anello iniettore da 10 ml. Personalizzare il ciclo dell'iniettore utilizzando tubi con un diametro esterno di circa 0,125 in e una lunghezza calibrata per fornire 10 ml di campione iniettato.
3. Raccogliere l'eluizione della colonna in intervalli correlati con la posizione del picco dRI. Collegare l'uscita GPC all'ingresso di un rivelatore differenziale differenziale (dRI).
   NOTA: quando le specie separate escono dal GPC, appaiono sul rivelatore dRI come picco e vengono raccolte in bottiglie da 125 ml. La colonna GPC produce due picchi ben risolti, entrambi raccolti e analizzati con cromatografia di esclusione di dimensioni (SEC) e analisi elementare (EA) per discernere l'arginina da speCies. Il volume totale raccolto dipenderà dalla dimensione della colonna GPC, dalla quantità totale del materiale di imballaggio utilizzato e dalla portata dell'acqua deionizzata usata per eluire la colonna.
   1. Raccogliere la maggior parte della frazione di picco 1 per 100 min ad una portata di 0,2 mL / min.
   2. Raccogliere l'eluente in intervalli di 30 minuti una volta che un picco emerge sul rivelatore RI della colonna GPC.
      NOTA: la variazione dell'intervallo di intervallo cambierà la concentrazione e la purezza del materiale di punta 1 purificato risultante. È meglio raccogliere all'inizio piccoli intervalli di picco per determinare quale parte contiene la concentrazione e la purezza più alte della specie di picco per una colonna specifica.
4. Preparare 1% in peso di NaCl.
5. Aggiungere la soluzione NaCl preparata in goccia a 10 ml di nanoparticelle Al (OH) ₃ purificate; Il materiale preparato con precipitazione NaCl non viene utilizzato per ulteriori esperimenti.

3. Preparazione di Al-MCM-41

1. ACPortare circa 1,0 g di MCM-41 a 120 ° C sotto vuoto per 3 ore in un forno a vuoto.
2. Preparare 50,0 g di soluzione di cloruro di alluminio combinando 9,6926 g di AlCl ₃ · 6H ₂ O con 40,3074 g di acqua deionizzata.
3. Aggiungere 0,7 g di MCM-41 attivato a 50,0 g di soluzione di cloruro di alluminio (preparato al punto 3.2).
4. Consentire un adeguato tempo di miscelazione (1 h) per garantire l'omogeneità dell'AlCl ₃ diffuso in tutti i canali MCM-41.
5. Aggiungere L-arginina alla miscela eterogenea ad un rapporto molare Arg / Al di 2,75 sotto agitazione magnetica. Similmente al punto 1.2, aggiungere l'arginina abbastanza lentamente in modo da consentire ai flocculati istantanei di formarsi e ridurre il clumping dell'arginina prima di continuare l'aggiunta.
6. Una volta omogenea, scaldare la miscela a 50 ° C per 72 ore.
7. Filtrare la soluzione eterogenea ottenuta utilizzando un imbuto di Buchner sotto vuoto e dotato di cerchi di carta di filtrazione qualitativa da 90 mm(O qualsiasi altra carta filtro appropriata).
8. Lavare la polvere bianca filtrata con acqua eccessiva deionizzata per assicurare la rimozione di cloruro di alluminio non reagito, arginina o sottoprodotti solubili in acqua dal materiale Al-MCM-41 prodotto.

Risultati

Sintesi Nanogibbsite

Nanogibbsite è stato preparato titolando AlCl ₃ · 6H ₂ O (14% in peso) con L-arginina ad un rapporto finale molare Arg / Al di 2,75. La sintesi delle particelle nanogibbsite è stata monitorata tramite SEC, una tecnica di analisi ampiamente utilizzata per soluzioni di cloruro di alluminio parzialmente idrolizzato, in grado di individuare cinque domini arbitrariamente designati...

Discussione

La preparazione di una soluzione acquosa di cloruro di alluminio ha comportato l'impiego di un sale esahidrato cristallino di cloruro di alluminio. Anche se la forma anidro può essere utilizzata, non è preferibile a causa delle sue proprietà igroscopiche significative, che rendono difficile lavorare e controllare la concentrazione di alluminio. È opportuno notare che la soluzione di cloruro di alluminio deve essere impiegata entro diversi giorni dalla preparazione perché nel corso del tempo l'idrolysere [Al...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
aluminum chloride hexahydrate	Alfa Aesar	12297
L-arginine	BioKyowa	N/A
aluminum hydroxide	Sigma Aldrich	239186
Bio-Gel P-4 Gel	Bio-Rad	150-4128
Mesoporous siica (MCM-41 type)	Sigma Aldrich	643645