Фациальная подготовка сверхтонких частиц гидроксида алюминия с или без мезопористого МСМ-41 в окружающих средах

Резюме

Супертонкая суспензия наночастиц гидроксида алюминия была получена путем контролируемого титрования [Al (H ₂ O)] ³⁺ с L-аргинином до рН 4,6 с и без удержания клеток-клеток в мезопористых каналах MCM-41.

Аннотация

Водную суспензию наногиббсита синтезировали титрованием алюминиевой аквакислоты [Al (H ₂ O) ₆ ] ³⁺ с L-аргинином до рН 4,6. Поскольку известно, что гидролиз водных алюминиевых солей дает широкий спектр продуктов с широким диапазоном распределений по размерам, используются самые современные приборы ( например, ²⁷ Al / ¹ H ЯМР, FTIR, ICP-OES , TEM-EDX, XPS, XRD и BET) были использованы для характеристики продуктов синтеза и идентификации побочных продуктов. Продукт, который состоял из наночастиц (10-30 нм), выделяли с использованием метода колонки с гельпроникающей хроматографией (ГПХ). Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) и дифракция рентгеновских лучей на порошке (PXRD) идентифицировали очищенный материал в виде полиморфной модификации гидроксида алюминия гиббсита. Добавление неорганических солей ( например , NaCl) индуцирует электростатическую дестабилизацию суспензии, тем самым агломерируя наночастицы с yie1d Al (OH) ₃ с крупными размерами частиц. Используя описанный здесь новый синтетический метод, Al (OH) ₃ был частично загружен внутри высокоупорядоченного мезопористого каркаса МСМ-41 со средними размерами пор 2,7 нм, образуя алюмосиликатный материал как с октаэдрическим, так и с тетраэдрическим Al (O _h / Т _d = 1,4). Общее содержание Al, измеренное с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), составило 11% мас. / Мас. При молярном соотношении Si / Al 2,9. Сравнение объемного EDX с элементным анализом поверхностной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) обеспечило понимание распределения Al в алюмосиликатном материале. Более того, на внешней поверхности (3.6) наблюдалось более высокое отношение Si / Al по сравнению с объемной массой (2.9). Аппроксимация соотношений O / Al показывает более высокую концентрацию групп Al (O) ₃ и Al (O) ₄ вблизи ядра и наружной поверхности, соответственно. Недавно разработанный синтез Al-MCM-41 даетСодержащего латентно высокий Al, при сохранении целостности упорядоченного каркаса из диоксида кремния и может быть использовано для применений, в которых предпочтительными являются гидратированные или безводные наночастицы Al ₂ O ₃ .

Введение

Материалы, изготовленные из гидроксида алюминия, являются перспективными кандидатами на различные промышленные применения, в том числе в области катализа, фармацевтики, водоподготовки и косметики. ^{1 , 2 , 3 , 4} При повышенных температурах гидроксид алюминия поглощает значительное количество тепла во время разложения с получением глинозема (Al ₂ O ₃ ), что делает его полезным огнезащитным агентом. ⁵ Изучены четыре известных полиморфа гидроксида алюминия ( например , гиббсит, байерит, нордстрандит и дойлейт) с использованием вычислительных и экспериментальных методов, чтобы улучшить наше понимание образования и его структур ⁶ . Получение наноразмерных частиц представляет особый интерес благодаря их способности проявлять квантовые эффекты и свойства, отличные от свойств этих частицR навалом. Частицы Nanogibbsite с размерами порядка 100 нм легко подготавливаются в различных условиях ^{7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} .

Трудно преодолеть неотъемлемые проблемы, связанные с уменьшением размера частиц; Поэтому существует лишь несколько случаев, когда частицы наногибсита имеют размеры порядка 50 нм. ^{14 , 15 , 16 , 17} Насколько нам известно, не было сообщений о наногибситальных частицах размером менее 50 нм. Частично это объясняется тем, что наночастицы склонны к агломерации из-за электростатической неустойчивостиИ высокая вероятность образования водородных связей между коллоидными частицами, особенно в полярных протонных растворителях. Наша цель состояла в синтезе небольших наночастиц Al (OH) ₃ с использованием исключительно безопасных ингредиентов и прекурсоров. В настоящей работе ингибирование водной частицы ингибировалось включением аминокислоты ( т.е. L-аргинина) в качестве буфера и стабилизатора. Кроме того, сообщается, что содержащий гуанидиний аргинин предотвращает рост и агрегацию частиц гидроксида алюминия с получением водной коллоидной суспензии со средним размером частиц 10-30 нм. Здесь предлагается, чтобы амфотерные и цвиттерионные свойства аргинина уменьшали поверхностный заряд наночастиц гидроксида алюминия во время мягкого гидролиза, чтобы препятствовать росту частиц за пределами 30 нм. Хотя аргинин не был способен к уменьшению размера частиц менее 10 нм, такие частицы достигались за счет использования эффекта «удержания клетки» сHin мезопоры MCM-41. Характеристика композиционного материала Al-MCM-41 показала ультратонкие наночастицы гидроксида алюминия в мезопористом кремнеземе со средним размером пор 2,7 нм.

протокол

1. Синтез наночастиц Al (OH) ₃

1. Растворяют 1,40 г гексагидрата хлорида алюминия в 5,822 г деионизированной воды.
2. Добавляют 2,778 г L-аргинина к водному раствору хлорида алюминия при перемешивании магнитной мешалкой. Добавляют L-аргинин медленно, так что добавленный аргинин растворяется и не образует больших глыб или кусков; Кроме того, медленное добавление уменьшает локальные концентрации щелочности и обеспечивает условия для более контролируемого гидролиза.
3. Как только весь аргинин растворяется в растворе, нагрейте раствор в течение 72 часов при 50 ° C; В этот момент решение может появиться как облачная приостановка.

2. Осаждение Al (OH) ₃ NaCl

1. Подготовьте столбик ГПХ, длиной 49 и диаметром 1,255 дюйма. Упаковывают гель в последовательные стадии добавления геля и позволяют воде течь через колонку, чтобы гарантировать правильную упаковку, при минимальном пространстве между гелевыми шариками. УпакуйтеГель до приблизительно 80% колонки; Количество наполнителя геля меняется каждый раз и влияет только на время удерживания отделенных видов.
2. Вводят 10 мл суспензии наночастиц Al (OH) _{3 в} виде синтезированной в виде частиц (приготовленной на стадии 1.3) в колонке с использованием насоса для ВЭЖХ с 10-миллилитровым контуром инжектора. Настройте петлю инжектора, используя трубку с наружным диаметром приблизительно 0,125 дюйма и длиной, которая откалибрована для доставки 10 мл введенного образца.
3. Соберите элюцию колонки в интервалах, коррелирующих с местоположением пика dRI. Подключите выход GPC ко входу детектора дифференциального показателя преломления (dRI).
   ПРИМЕЧАНИЕ. Поскольку отделенные виды выходят из ГЦП, они появляются на детекторе dRI в виде пика и затем собираются в 125 мл флаконы. В колонке ГПХ образуются два хорошо разрешенных пика, которые собираются и анализируются с помощью эксклюзионной хроматографии (SEC) и элементного анализа (EA) для определения аргинина из алюминия speCies. Общий собранный объем будет зависеть от размера колонки ГПХ, общего количества используемого упаковочного материала и расхода деионизированной воды, используемой для элюирования колонки.
   1. Собирают большую часть пика 1 фракции в течение 100 мин со скоростью потока 0,2 мл / мин.
   2. Соберите элюент через 30-минутные интервалы, как только появится пик на детекторе RI колонки GPC.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Изменение интервала интервалов изменит концентрацию и чистоту полученного очищенного материала пика 1. Лучше сначала собрать небольшие интервалы пика, чтобы определить, какая часть содержит самую высокую концентрацию и чистоту пика 1 вида для определенного столбца.
4. Подготовьте 1 вес.% NaCl.
5. Добавить по каплям приготовленный раствор NaCl в 10 мл очищенных наночастиц Al (OH) ₃ ; Материал, полученный с использованием осаждения NaCl, не используется для дальнейших экспериментов.

3. Получение Al-MCM-41

1. переменный токПримерно 1,0 г МСМ-41 при 120 ° С в вакууме в течение 3 ч в вакуумной печи.
2. Готовят 50,0 г раствора хлорида алюминия, объединяя 9,6926 г AlCl ₃ · 6H ₂ O с 40,3074 г деионизированной воды.
3. Добавить 0,7 г активированного МСМ-41 в 50,0 г раствора хлорида алюминия (приготовленного на стадии 3.2).
4. Обеспечьте достаточное время смешивания (1 ч), чтобы обеспечить гомогенность AlCl _3, рассеянного во всех каналах MCM-41.
5. Добавляют L-аргинин к гетерогенной смеси до молярного соотношения Arg / Al 2,75 при перемешивании магнитной мешалкой. Аналогично этапу 1.2, добавьте аргинин достаточно медленно, чтобы позволить мгновенно образованным флоккулятам повторно растворить и уменьшить сгущение аргинина перед продолжением добавления.
6. После однородного состояния нагрейте смесь при 50 ° C в течение 72 часов.
7. Фильтруют полученный гетерогенный раствор, используя воронку Бюхнера, в вакууме и снабжают качественными 90-миллиметровыми кругами фильтровальной бумаги(Или любой другой подходящей фильтровальной бумаги).
8. Промытый белый порошок вымойте избыточной деионизированной водой, чтобы обеспечить удаление непрореагировавшего хлорида алюминия, аргинина или водорастворимых побочных продуктов из полученного материала Al-MCM-41.

Результаты

Синтез наногибсита

Наногиббсит получали путем титрования AlCl ₃ · 6H ₂ O (14 мас.%) С L-аргинином до конечного молярного соотношения Arg / Al 2,75. Синтез частиц наногиббсита контролировался через SEC, который является широко использ?...

Обсуждение

Приготовление водного раствора хлорида алюминия приводило к использованию кристаллической гексагидратной соли хлорида алюминия. Хотя безводная форма также может быть использована, она не является предпочтительной из-за ее значительных гигроскопических свойств, которые затрудняют ...

Материалы

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