Name: preparation of biopolymer aerogels using green solvents
Uploaded: 2016-07-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 13 s
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apoio financeiro da DFG (projectos SM 82 / 13-1) é reconhecido agradecimento.

1. Preparação de Solução Stock de pectina amidada <ol><li> Misturar 20 g de pectina amidada com 980 g de água (2,0% em peso). O grau de amidação é de 25% em peso. </li><li> Homogeneizar a solução com um agitador de alta velocidade (10.000 rpm) durante 2 minutos para se obter uma solução viscosa homogénea. </li><li> Medir o pH usando tiras de pH ou medidor de pH. Se o pH é inferior a 6,5, titula-se com NaOH 0,5 M para neutralizar a solução (a pH 7,0). </li><li> Adicionar carbonato de cálcio numa proporção de 0,1825 g por grama de pectina amidada seco (q = 1). &quot;Q&quot; denota o grau de reticulação. </li><li> Para 1 kg de solução de pectina amidada 2,0% em peso, adicionar 3,65 g de carbonato de cálcio (q = 1) 7 por 20,0 g de pectina seca. </li><li> Para uma maior reticulação, adicionar 0,3650 g de carbonato de cálcio por grama de pectina amidada seco (q = 2). </li></ol> 2. Produção de hidrogéis <ol><li> Homogeneizar a mistura carbonato de pectina / cálcio amidado usando o homogeneizador de alta velocidade (10.000 rpm) para se obter umdispersão homogénea branco. </li><li> Transferir a suspensão em moldes abertos ou de polipropileno placas de Petri de vidro. </li><li> Colocar os moldes na autoclave de alta pressão. Selar o autoclave. </li><li> Pressurizar a autoclave com o CO2 gasoso até 5 MPa, à TA. Consulte Gurikov et al. 7 para mais informações. Manter a pressão durante 24 horas. </li><li> Lentamente despressurizar o autoclave a 0,2 MPa / min. </li><li> Abrir o autoclave e remover os moldes. Retire os hidrogéis dos moldes por entregá-los. Se necessário, utilizar uma espátula. </li></ol> 3. Procedimento de solvente Troca <ol><li> Preparar 10 g de 10:90 (w / w) de etanol / água mistura por grama de hidrogel. </li><li> Mergulhar os hidrogéis no 10:90 (w / w) de uma mistura de etanol / água durante 12 horas. </li><li> Continue este processo com concentrações crescentes de etanol, isto é, entre 10:90 (w / w) de uma mistura de etanol / água a 30:70 (w / w) de etanol / água mistura. Após 12 horas, a transferência para 50:50 (w / w) de uma mistura de etanol / água, em seguida a 70:30 (12 horas), em seguida, 90:10 (12 horas) e, em seguida, uma solução de etanol a 100% (12 h). </li><li> Embeber o gel ainda mais em etanol puro para que a concentração final no interior do gel é mais do que 98% (w / w). Medir a concentração usando o medidor de densidade. O alcogel está agora pronto para CO2 supercrítico secagem. </li></ol> 4. Produção de Aerogels por CO2 supercrítico Secagem <ol><li> Coloque as amostras na mesma autoclave de alta pressão utilizado para a preparação do hidrogel (ver passo 2.3). </li><li> Encher o autoclave com etanol adicional (2-10% do volume do autoclave) para evitar a evaporação prematura do solvente a partir dos géis. imersão completa de gel no solvente não é necessária. </li><li> Selar o autoclave. Ligar o aquecimento autoclave. Defina a temperatura de trabalho autoclave a 323 K. pressurizar o autoclave com dióxido de carbono a 12 MPa usando um compressor ou bomba. </li><li> Periodicamente substituir o CO 2no interior da autoclave 10,11 com CO 2 fresco mantendo a pressão constante. 6-7 volumes de residência são necessárias ao longo de um período de 6 h. Consulte Gurikov et al. 7 para mais informações. </li><li> Lentamente despressurizar o autoclave a 0,2 MPa / min. </li><li> Abra o autoclave e recolher o aerogel. Armazenar o aerogel num exsicador ou um recipiente fechado. </li></ol>

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	<li>Kistler, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+expanded-aerogels.">Coherent expanded-aerogels.</a> J. Phys. Chem. 36 (1), 52-64 (1932).</li><li>Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Aerogels Handbook. , (2011).</li><li>Raman, S. P., Gurikov, P., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+alginate+based+aerogels+by+carbon+dioxide+induced+gelation:+Novel+technique+for+multiple+applications.">Hybrid alginate based aerogels by carbon dioxide induced gelation: Novel technique for multiple applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 23-33 (2015).</li><li>Draget, K. 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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Ao usar a técnica de gelificação induzida CO 2, pode-se eliminar a necessidade de substitutos químicos (por exemplo, ácido acético ou glucono-delta-lactona (GDL)) necessária para induzir a reticulação do biopolímero. As áreas de superfície dos aerogeles de pectina amidada estão situados nas gamas mais elevadas de 5 valores da literatura, no entanto, os volumes de poros são muito mais elevados do que os apresentados na literatura 5. Volumes de poros mais elevados também foram observados para os aerogéis de alginato preparadas pelo CO 2 gelificação induzida 7. No entanto, ele continua a ser verificado se a razão para este alto volume de poros (4-150 nm poros Faixa de tamanho) deve-se à técnica de gelificação ou uma propriedade inerente dos biopolímeros anteriormente não abordados na literatura. Pectina aerogéis têm sido relatados na literatura como possuindo propriedades 12 e aerogeles de alginato preparadas por esta técnica superinsulating também possuem uma condutividade térmica na gama superinsulating3,7. Por conseguinte, podem também prever-se os aerogéis de pectina amidada produzidos por esta técnica de possuir propriedades superinsulating. A taxa de despressurização na Secção Protocolo 2 é um passo importante na preparação de hidrogel. despressurização rápida pode conduzir a um aumento da macroporosidade dos géis. Este fenómeno pode ser aplicado para aplicações de engenharia de tecidos onde a macroporosidade do material com a interconexão é uma característica importante para o crescimento e proliferação de células 13,14. Além disso, o grau de reticulação na Secção Protocolo 1 desempenha um papel importante na propriedade sinérese e inchaço dos hidrogéis de pectina amidada. Isto é semelhante ao hidrogéis de alginato cujo comportamento de inchamento é influenciada pela concentração de agente de reticulação, bem 15. Assim aerogels feitas por pectina amidada também pode ser ajustado para possuir propriedade superabsorvente semelhantes aos relatados por aerogéis de alginato 16. &lt;p classe = &quot;jove_content&quot;&gt; Utilizando o CO 2 gelificação induzida considerando pectina amidada (ou alginato) como o sistema primário, ainda mais a diversidade podem ser incorporados nas aerogéis através da introdução de diferentes transversal agentes e combinações biopoliméricas ligando. Vários carbonatos de metal (por exemplo, zinco, níquel, cobalto, cobre, estrôncio, bário) poderia ser usado para reticulação 3, onde catiões pode ser libertado por uma descida do pH no meio aquoso com CO 2 pressurizado (3-5 MPa). No entanto, sais insolúveis de alguns desses cátions não podem formar dispersões estáveis ​​para as concentrações de biopolímeros mais baixos e podem estabelecer-se na parte inferior levando a géis não homogéneos. Este é um problema geral com o método de definição de gelificação interna, inclusive CO 2 gelificação induzida 3 e, assim, a usabilidade do técnica de um aplicativo deve ser avaliada caso a caso. Várias misturas preparadas utilizando bio solúvel em águapolímeros, tais como amido, carragenina, metil e carboximetilcelulose, goma de gelano, lignina, gelatina e outros; polímeros sintéticos solúveis em água tais como polietileno glicol (PEG), álcool polivinílico (PVA), Pluronic P-123 e outros; e solúvel em água precursores inorgânicos tais como silicato de sódio pode também ser misturado com pectina amidada para produzir aerogeles híbridas semelhantes a 2 alginato com propriedades ajustáveis. Como CO2 supercrítico de secagem (secagem SCCO 2) é um passo por excelência na produção aerogel, qualquer combinação de passos de pré-processamento, tais como a troca do solvente e secagem utilizando CO 2 ou de gelificação 17,18, troca de solvente e de secagem usando CO 2 7 poderia fornecer uma vantagem de processamento clara. A vantagem é vista como um processo integrado pote: onde dispersões de biopolímero pode ser convertido em aerogéis biopolímero utilizando CO2 como o meio de processamento principal num autoclave. Paracertas aplicações farmacêuticas, também se pode prever a execução de uma etapa quatro: gelificação, a troca do solvente, secagem supercrítica e ativo processo de componente de carga 5,19 em um único autoclave usando CO 2 como o meio de processamento. Pós-tratamento, tal como revestimento protector dos aerogéis carregadas com droga em certos casos é necessário para liberação do fármaco alvo 20. Para concluir, o presente trabalho demonstra a utilização de CO pressurizado 2 para gelificação de sistemas de pectina com base amidada. Além disso, está prevista a utilização de CO 2 pressurizado como um meio comum para precursor da conversão do produto para aplicações-alvo, em um único autoclave.

Os aerogéis são uma classe de materiais porosos, que podem ser preparados utilizando uma variedade de precursores que vão desde inorgânica (tais como sílica, titânia, zircónia e outros), sintéticos (tal como formaldeído de resorcinol, de poliuretano e outros) ou biopolimeros (polissacáridos, proteínas e outros ) 2. O que os diferencia dos materiais porosos convencionais é a sua capacidade de possuir simultaneamente todas as três características; ou seja, a área de superfície elevada, ultra-baixa densidade e distribuição de tamanho de poro mesoporosa (ou seja, tamanhos de poro de 2-50 nM). Com características acima mencionadas, os aerogéis são amplamente aplicados nas áreas de aplicações de isolamento, biomedicina, catálise, adsorção e absorção, produtos farmacêuticos e nutracêuticos 2. Tendo em conta as possibilidades acima, a produção de sistemas de gel de biopolímero e sua posterior transformação para aerogels abre uma infinidade de oportunidades para com alto valor adicionado com base biomateriais. Este esforço é retomado neste estudo utilizando pectina amidada como um exemplo. Os aerogéis são tipicamente produzidos pela técnica de sol-gel. Os geles são sistemas que consistem de líquido aprisionado numa matriz e pode ser preparada por ligação covalente, iónica, pH induzida, transversal térmica ou crio ligando 3. Para este sistema específico, nós utilizamos reticulação iónico, isto é, um catião bivalente (por exemplo, cálcio) para reticular cadeias biopolimêricos juntos. Para realizar a reticulação iónica controlável de biopolímeros tais como pectina ou alginato amidado, pode-se utilizar o método de difusão ou método de configuração interna 4. No método de difusão, a gelificação ocorre em primeiro lugar na camada externa, seguido por propagação de difusão, como os catiões de difundir a partir da solução externa a uma pectina amidada ou gotícula de alginato ou camada 4. No método de configuração interna, a forma insolúvel de o agente de reticulação está homogeneamente disperso no solutio biopolímeron e cátions são liberados, iniciando uma 4,5,6 alteração do pH. No entanto, ambas as técnicas de enfrentar um problema em relação à homogeneidade do gel final, quando produzido em laje ou forma monolítica. Este trabalho demonstra o uso de CO 2 alta pressão (5 MPa) para a produção de hidrogéis de pectina amidada construção ainda em trabalhos anteriores sobre géis de alginato 3,7. Em resumo, é uma técnica de gelificação configuração interna que utiliza CO pressurizado 2 para reduzir o pH em vez de ácidos fracos para produzir géis homogéneos. Com um aumento na pressão, a solubilidade do dióxido de carbono em aumentos de água acompanhadas por uma diminuição do pH a 3,0 8. Isto faz com que o carbonato de cálcio para solubilizar, libertar os iões de cálcio. Os iões de cálcio reticular com o biopolímero pectina amidada para produzir hidrogeles. Geles homogéneos estáveis ​​para baixo a concentrações muito baixas de biopolímero (0,05% em peso) pode ser produzido utilizando esta técnica 7. como Gelatde iões tem lugar num meio aquoso, a troca de solvente para um solvente orgânico é necessário para uma lacuna devido a miscibilidade no sistema de CO 2 / água. Tipicamente álcoois de baixo peso molecular (metanol / etanol / isopropanol) e cetonas (acetona) pode ser usado para o processo de troca de solvente. No entanto, imersão directa em um banho com etanol puro ou outros solventes orgânicos conduz a retracção irreversível significativa. Para evitar este inconveniente, a troca do solvente por etapas é realizada 5,9. Quando a concentração de solvente no interior do gel atinge&gt; 98%, o solvente orgânico é seco com CO2 supercrítico (12 MPa) deixando para trás um aerogel.

<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).

Os hidrogéis típicos obtidos após o passo de gelificação, com maior grau de reticulação (q = 2) (conforme indicado na secção Protocolo 2) são mostrados na Figura 1. As amostras à esquerda (amostra A e B) são a 2% em peso e 1% em peso geles de pectina obtidas pelo CO 2 induziram a gelatinização. Ao diminuir a concentração de biopolímero (0,5% em peso ou inferior), os géis se tornar transparente (Amostra C). Nova redução na concentração de biopolímeros (0,25%) também produz hidrogéis estáveis ​​(amostra D), mas esses géis são muito frágeis e podem quebrar durante o manuseio. As bolhas observadas no interior dos hidrogeles são criados durante a despressurização, quando o CO 2 dissolvido sai do sistema de água de gel devido à diminuição da solubilidade de CO2. As características de pectina amidada de aerogel são apresentados na Tabela 1. Os aerogéis obtidos são ultra-poroso, com baixa den<html> sidade (tão baixos como 0,013 g / cm 3) medida como a razão entre a massa do aerogel e do seu volume. A área superficial é medida por adsorção de azoto. Para aerogéis de pectina, que produziu uma área superficial específica entre 350 - 500 m 2 / g. O volume de poros de tamanhos de poro na gama de 4-150 nm é medida pelo modelo Kelvin de enchimento de poros usando azoto (método BJH). O volume de poro para os aerogéis de pectina amidada era entre 3-7 cm3 / g para os tamanhos de poro entre 4 e 150 nm. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54116/54116fig1.jpg" /> Figura 1. hidrogéis pectina amidada com maior grau de reticulação (q = 2) superior esquerda: 2% em peso (amostra A);. superior direito: 1% (Amostra B); canto inferior esquerdo: 0,5% (Amostra C); canto inferior direito: 0,25% (Amostra D). Géis tornar transparente com a diminuição da concentração de biopolímeros. As bolhas são produzidas durante a co 2 despressurização.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Concentração de pectina [% em peso] </td><td> Cross-linking grau q </td><td> Densidade aparente [g / cm3] </td><td> Área de superfície específica [m2 / g] </td><td> Volume de poro específico [cm3 / g] </td><td> Tamanho de poro médio (diâmetro) [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 </td><td> 24 </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Características dos aerogéis de pectina amidada.

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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.

Preparação de Biopolymer Aerogels utilizando solventes verdes

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

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

17.6K visualizações.  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.

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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.

Preparação de sílica aerogel Monólitos através de um Método de extracção rápida supercrítico

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

Química

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.

Síntese e funcionalização de 3D Materiais Nano-grafeno Grafeno: Aerogels e grafeno Assembléias Macro

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

Engenharia

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.

Fabricação e teste de catalítico Aerogels preparado através da rápida extração supercrítica

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.

Um método de síntese rápida para Au, Pd e Pt Aerogels através de redução direta baseada em solução

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.

Método de síntese para celulose Nanofiber Biotemplated paládio composto Aerogéis

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.

encapsulando citocromo<em&gt; C</em&gt; Em Silica Aerogel nanoarquiteturas sem metal nanopartículas, mantendo bioatividade em fase gasosa

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

Bioengenharia

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.

Formando polymersomes de tamanho gigante usando hidratação Gel-assistida

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.

Aerogel de sílica esteticamente aprimorado via incorporação de gravura a laser e corantes

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.

Projetado para reciclagem molecular: um polímero semi-aromático derivado da lignina

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.

Síntese de hidrogeles com propriedades anti-deposição como membranas de purificação de água

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