Rozwijanie mikroporowatości w węglach mezoporowatych

Choma, J.; Jedynak, K.; Fahrenholz, W.; Ludwinowicz, J.; Jaroniec, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Rozwijanie mikroporowatości w węglach mezoporowatych

Autorzy

Choma J. , Jedynak K. , Fahrenholz W. , Ludwinowicz J. , Jaroniec M.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Development of microporosity in mesoporous carbons

Języki publikacji

Abstrakty

Metodą miękkiego odwzorowania otrzymano, w obecności kwasu solnego lub kwasu cytrynowego, dwa mezoporowate węgle używając rezorcynolu i formaldehydu, jako prekursorów węglowych, oraz kopolimeru trójblokowego Pluronic F127, jako miękkiej matrycy. W celu rozwinięcia struktury mikroporowatej tak otrzymanych mezoporowatych węgli w trakcie ich syntezy dodano tetraetoksysilan (TEOS), a w końcowym etapie wytrawiono krzemionkę za pomocą roztworu NaOH. Druga metoda rozwijania mikroporowatości polegała na posyntezowej chemicznej aktywacji mezoporowatego węgla za pomocą KOH w temperaturze 700°C. Wykazano, że metoda z dodatkiem TEOS pozwoliła nie tylko na znaczne rozwinięcie mikroporowatości węgla, ale także na rozwinięcie jego mezoporowatości. Zastosowanie metody aktywacji za pomocą KOH spowodowało tylko znaczący rozwój mikroporowatości węgla, natomiast mezoporowatość uległa w znacznym stopniu zmniejszeniu (2÷4-krotnie) w stosunku do wyjściowych węgli mezoporowatych. Stwierdzono, że obie metody rozwijania mikroporowatości prowadziły do otrzymania węgli o bardzo dobrych parametrach strukturalnych. W najlepszym przypadku w metodzie z dodatkiem TEOS powierzchnia właściwa BET węgla wynosiła 1300 m²/g, a całkowita objętość porów ok. 1,4 cm³/g. W metodzie aktywacji za pomocą KOH powierzchnia właściwa węgla wynosiła natomiast ponad 2000 m²/g, a całkowita objętość porów ponad 1 cm³/g. Biorąc pod uwagę, że węgle otrzymane obiema metodami miały bardzo dobre właściwości adsorpcyjne, mogą być one z powodzeniem wykorzystywane w procesach adsorpcyjnego oczyszczania wody i powietrza.

Mesoporous carbons were obtained in the presence of hydrochloric and citric acids via soft-templating method. Resorcinol and formaldehyde were used as carbon precursors and triblock copolymer Pluronic F127 as a soft template. Tetraethyl orthosilicate was introduced to the system in order to develop microporosity and sodium hydroxide at the final stage to etch the silica. After silica dissolution the expected increase in microporosity was observed; interestingly, the mesoporosity was also improved. Post-synthesis activation with KOH at 700°C was proposed as an alternative approach to develop additional microporosity. The treatment resulted in the increased microporosity; however, the mesoporosity significantly decreased (2 to 4 fold) in comparison to the initial values. Both methods were effective and led to the formation of additional microporosity. For instance, the sample obtained with addition of TEOS exhibited the BET specific surface area of 1300 m²/g and total pore volume of about 1.4 cm³/g. The post-synthesis activation resulted in the specific surface area over 2000 m²/g and total pore volume exceeding 1 cm³/g. Carbon materials obtained with both methods showed good adsorption properties, therefore, they are suitable for environmental applications such as water treatment and air purification.

Słowa kluczowe

adsorpcja azotu miękkie odwzorowanie TEOS

nitrogen adsorption TEOS KOH activation SEM image

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2013

Tom

Vol. 35, nr 1

Strony

3--10

Opis fizyczny

Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Choma J.

jchoma@wat.edu.pl

Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Zakład Chemii, ul. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Jedynak K.

Uniwersytet Jana Kochanowskiego, Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Zakład Chemii Fizycznej, ul. Świętokrzyska 15G, 25-406 Kielce

autor

Fahrenholz W.

Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Zakład Chemii, ul. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Ludwinowicz J.

Kent State University, Department of Chemistry and Biochemistry, Kent, Ohio 44-242 USA

autor

Jaroniec M.

jaroniec@kent.edu

Kent State University, Department of Chemistry and Biochemistry, Kent, Ohio 44-242 USA

Bibliografia

1. S. INAGAKI, K. OIKAWA, Y. KUBOTA: Effect of carbon source on the textural and electrochemical properties of novel cage-type mesoporous carbon as a replica of KIT-5 mesoporous silica. Chemistry Letters 2009, Vol. 38, pp. 918–919.
2. R. RYOO, S.H. JOO, S. JUN: Synthesis of highly ordered carbon molecular sieves via template-mediated structural transformation. The Journal of Physical Chemistry B 1999, Vol. 103, pp. 7745–7746.
3. S. JUN, S.H. JOO, R. RYOO, M. KRUK, M. JARONIEC, Z. LIU, T. OSHUNA, O. TERASAKI: Synthesis of new, nanoporous carbon with hexagonally ordered mesostructure. Journal of the American Chemical Society 2000, Vol. 122, pp. 10712–10713.
4. J. LEE, S. YOON, T. HYEON, S.M. OH, K.B. KIM: Synthesis of a new mesoporous carbon and its application to electrochemical double-layer capacitors. Chemical Communications 1999, pp. 2177–2178.
5. T. KYOTANI: Control of porous structure in carbon. Carbon 2000, Vol. 38, pp. 269–286.
6. J. LEE, J. KIM, T. HYEON: Recent progress in the synthesis of porous carbon materials. Advanced Materials 2006, Vol. 18, pp. 2073–2094.
7. C. LIANG, K. HONG, G.A. GUIOCHON, J.W. MAYS, S. DAI: Synthesis of a large-scale highly ordered porous carbon film by self-assembly of block copolymers. Angewandte Chemie International Edition 2004, Vol. 43, pp. 5785–5789.
8. F. ZHANG, Y. MENG, D. GU, Y. YAN, C. YU, B. TU, D. ZHAO: A facile aqueous route to synthesize highly ordered mesoporous polymers and carbon frameworks with Ia3d bicontinuous cubic structure. Journal of the American Chemical Society 2005, Vol. 127, pp. 13508–13509.
9. S. TANAKA, N. NISHIYAMA, Y. EGASHIRA, K. UEYAMA: Synthesis of ordered mesoporous carbons with channel structure from an organic-organic nanocomposite. Chemical Communications 2005, pp. 2125–2127.
10. J. JIN, N. NISHIYAMA, Y. EGASHIRA, K. UEYAMA: Pore structure and pore size controls of ordered mesoporous carbons prepared from resorcinol/formaldehyde/triblock polymers. Microporous and Mesoporous Materials 2009, Vol. 118, pp. 218–223.
11. J. GÓRKA, A. ZAWIŚLAK, J. CHOMA, M. JARONIEC: KOH activation of mesoporous carbons obtained by soft-templating. Carbon 2008, Vol. 46, pp. 1159–1161.
12. J. CHOMA, K. JEDYNAK, D. JAMIOŁA, M. JARONIEC: Wpływ temperatury karbonizacji na adsorpcyjne i strukturalne właściwości mezoporowatych węgli otrzymywanych metodą miękkiego odwzorowania. Ochrona Środowiska 2012, vol. 34, nr 2, ss. 3–8.
13. J. GÓRKA, A. ZAWIŚLAK, J. CHOMA, M. JARONIEC: Adsorption and standard properties of soft-templated mesoporous carbons obtained by carbonization at different temperatures and KOH activation. Applied Surface Science 2010, Vol. 256, pp. 5187–5190.
14. M. KUBOTA, A. HATA, H. MATSUDA: Preparation of activated carbon from phenolic resin by KOH chemical activation under microwave heating. Carbon 2009, Vol. 47, pp. 2805–2811.
15. J. JIN, S. TANAKA, Y. EGASHIRA, N. NISHIYAMA: KOH activation of ordered mesoporous carbons prepared by a soft-templating method and their enhanced electrochemical properties. Carbon 2010, Vol. 48, pp. 1985–1989.
16. K. XIA, Q. GAO, J. JIANG, J. HU: Hierarchical porous carbons with controlled micropores and mesopores for supercapacitor-electrode materials. Carbon 2008, Vol. 46, pp. 1718–1726.
17. K. XIA, Q. GAO, C. WU, S. SONG, M. RUAN: Activation, characterization and hydrogen storage properties of the mesoporous carbon CMK-3. Carbon 2007, Vol. 45, pp. 1989–1996.
18. M. CHOI, R. RYOO: Mesoporous carbons with KOH activated framework and their hydrogen adsorption. Journal of Materials Chemistry 2007, Vol. 17, pp. 4204–4209.
19. M. JARONIEC, J. GÓRKA, J. CHOMA, A. ZAWIŚLAK: Synthesis and properties of mesoporous carbons with high loadings of inorganic species. Carbon 2009, Vol. 47, No. 4, pp. 15–22.
20. J. GÓRKA, M. JARONIEC: Tailoring adsorption and framework properties of mesoporous polymeric composites and carbons by addition of organosilanes during soft-templating synthesis. The Journal of Physical Chemistry C 2010, Vol. 114, pp. 6298–6303.
21. X. WANG, C.D. LIANG, S. DAI: Facile synthesis of ordered mesoporous carbons with highly thermal stability by self-assembly of resorcinol-formaldehyde and block copolymers under highly acidic conditions. Langmuir 2008, Vol. 24, pp. 7500–7505.
22. M. JARONIEC, J. CHOMA: Characterization of activated carbons by distribution function of adsorption potential and micropore dimension. Materials Chemistry and Physics 1987, Vol. 18, pp. 103–117.
23. S. Brunauer, P.H. Emmett, E. Teller: Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of the American Chemical Society 1938, Vol. 60, pp. 309–319.
24. S.J. Gregg, K.S.W. Sing: Adsorption, Surface Area and Porosity, 2nd Ed. Academic Press, New York 1982.
25. M. Kruk, M. Jaroniec, K.P. Gadkaree: Nitrogen adsorption studies of novel synthetic active carbons. Journal of Colloid and Interface Science 1997, Vol. 192, pp. 250–256.
26. M. Kruk, M. Jaroniec, A. Sayari: Application of large pore MCM-41 molecular sieves to improve pore size analysis using nitrogen adsorption measurements. Langmuir 1997, Vol. 13, pp. 6267–6273.
27. E.P. Barrett, L.G. Joyner, P.P. Halenda: The determination of pore volume and area distribution in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. Journal of the American Chemical Society 1951, Vol. 73, pp. 373–380.
28. K.S.W. Sing, D.H. Everett, R.A.W. Haul, L. Moscou, R.A. Pierotti, J. Rouquerol, T. Siemieniewska: Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure and Applied Chemistry 1985, Vol. 57, pp. 603–619.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-2413b0cd-3772-4491-b98d-8d54fb618721