Synteza uporządkowanych mezoporowatych węgli metodą miękkiego odwzorowania z użyciem azotanu żelaza

• Autorzy: Choma J. , Jedynak K. , Górka J. , Jaroniec M.

Warianty tytułu

EN

Soft-templating synthesis of mesoporous carbons in the presence of iron(III) nitrate

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zsyntezowano metodą miękkiego odwzorowania mezoporowate węgle w obecności azotanu(V) żelaza(III), używając rezorcynol i formaldehyd jako prekursory węglowe oraz kopolimer trójblokowy Lutrol F127 (EO₁₀₁PO ₅₆EO₁₀₁) jako miękką matrycę. Roztwór soli żelaza(III) użyto jako źródło nanocząstek żelaza oraz jako niskotemperaturowy katalizator grafityzacji. Otrzymane dwa kompozyty charakteryzowały się dużą powierzchnią właściwą (587 m²/g i 440 m²/g) oraz dużą objętością porów (0,44 cm³/g i 0,35 cm³/g), w których udział objętości mezoporów wynosił ok. 65%. Badanie funkcji rozkładu objętości porów wykazało obecność mikroporów o wymiarach około 1,6 nm i mezoporów o wymiarach około 8 nm. Wyraźny pik na małokątowym widmie rozpraszania promieniowania rentgenowskiego uzyskany w przypadku próbki węgla otrzymanej przy użyciu 10% wag. żelaza(III) wskazuje na możliwą obecność uporządkowanej struktury. Badania termograwimetryczne wykazały, że jedynie około 50% użytego żelaza udało się wprowadzić do struktury tych węgli, czego wynikiem była obecność nanocząstek żelaza i węgliku żelaza. Ponadto stwierdzono, że obecność żelaza w procesie karbonizacji przyczyniła się do częściowej grafityzacji amorficznej mezostruktury węgli. Duża powierzchnia właściwa, dobrze rozwinięta struktura porowata oraz właściwości magnetyczne tych węgli zwiększają ich potencjał w adsorpcji, katalizie oraz zastosowaniach odnoszących się do przetwarzania energii.

EN

Soft-templating synthesis of mesoporous carbons was carried out in the presence of iron(III) nitrate by using resorcinol and formaldehyde as carbon precursors and Lutrol F127 (EO₁₀₁PO ₅₆EO₁₀₁) block copolymer as a soft template. Iron(III) salt was used as a precursor for the formation of iron-containing particles and a low temperature graphitization catalyst. The resulting composites possessed high specific surface area (587 m²/g and 440 m²/g), large pore volume (0.44 cm³/g and 0.35 cm³/g) and mesoporosity of about 65%. Examination of their pore size distributions indicated presence of micropores of about 1.6 nm in size and mesopores of about 8 nm in size. Small angle X-ray diffraction pattern recorded for carbon sample prepared by using 10wt% iron(III) solution featured one distinct peak, possibly an indication of the ordered mesostructure. Thermogravimetric analysis indicated that only about 50% of iron used was successfully incorporated into these carbons, which resulted in the presence of metallic iron and iron carbide nanoparticles. Also, it was found out that iron presence during the carbonisation process contributed to the partial graphitization of amorphous carbon mesostructure. High specific surface area, well developed porosity and magnetic properties of these carbons extend their potential in adsorption, catalytic and energy-related applications.

Słowa kluczowe

PL

miękkie odwzorowanie; adsorpcja; porowatość

EN

mesoporous carbon; adsorption; porosity

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 35, nr 2
• Strony: 3--8
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Choma J.

• 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

Górka J.

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

autor

Jaroniec M.

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

Bibliografia

• 1. H. JANKOWSKA, A. ŚWIĄTKOWSKI, J. CHOMA: Active Carbon. Ellis Horwood, Chichester 1991.
• 2. H. MARSH, F. RODRIGUEZ-REINOSO: Activated Carbon. Elsevier, Amsterdam 2006.
• 3. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE, A. ZAWIŚLAK: Mezoporowate materiały węglowe: Synteza z wykorzystaniem matryc krzemionkowych i charakterystyka właściwości adsorpcyjnych. Ochrona Środowiska 2008, vol. 30, nr 2, ss. 3–15.
• 4. Z. LI, C. LIANG, S. DAI: Mesoporous carbon materials: Synthesis and modification. Angewandte Chemie International Edition 2008, Vol. 47, pp. 3696–3717.
• 5. Y. MENG, D. GU, F. ZHANG, Y. SHI, L. CHENG, D. FENG, Z. WU, Z. CHEN, Y. WAN, A. STEIN, D. ZHAO: A family of highly ordered mesoporous polymer resin and carbon structures from organic-organic self-assembly. Chemistry of Materials 2006, Vol. 18, pp. 4447–4464.
• 6. C. LIANG, S. DAI: Synthesis of mesoporous carbon materials via enhanced hydrogen-bonding interaction. Journal of the American Chemical Society 2006, Vol. 128, pp. 5316–5317.
• 7. M. JARONIEC, J. CHOMA, J. GÓRKA, A. ZAWIŚLAK: Colloidal silica templating synthesis of carbonaceous monoliths assuring formation of uniform spherical mesopores and incorporation of inorganic nanoparticles. Chemistry of Materials 2008, Vol. 20, pp. 1069–1075.
• 8. J. CHOMA. K. JEDYNAK, J. GÓRKA, M. JARONIEC: Morfologia i właściwości adsorpcyjne mezoporowatych węgli z nanocząstkami srebra. Ochrona Środowiska 2011, vol. 33, nr 1, ss. 3–8.
• 9. M. JARONIEC, J. GÓRKA, J. CHOMA, A. ZAWIŚLAK: Synthesis and properties of mesoporous carbons with loadings of inorganic species. Carbon 2009, Vol. 47, pp. 3034–3040.
• 10. J. CHOMA, K. JEDYNAK, J. GÓRKA, M. MARCZEWSKI, M. JARONIEC: Synteza i właściwości mezoporowatych węgli z cząstkami złota. Ochrona Środowiska 2011, vol. 33, nr 2, ss. 3–9.
• 11. J. CHOMA, K. JEDYNAK, M. JARONIEC: Otrzymywanie i właściwości uporządkowanych mezoporowatych węgli z nanocząstkami metali i tlenków metali. Biuletyn WAT 2012, vol. 61, nr 2, ss. 197–231.
• 12. A. STEIN, Z. WAN, M.A. FIERKE: Functionalization of porous carbon materials with designed pore architecture. Advanced Materials 2009, Vol. 21, pp. 265–293.
• 13. L. CHEN, D. MA, B. PIETRUSZKA, X. BAO: Carbon-supported silver catalysts for CO selective oxidation in excess hydrogen. Journal of Natural Gas Chemistry 2006, Vol. 15, pp. 181–190.
• 14. X. WANG, S. DAI: A simple method to ordered mesoporous carbons containing nickel nanoparticles. Adsorption 2009, Vol. 15, pp. 138–144.
• 15. L. STERK, J. GÓRKA, M. JARONIEC: Polymer-templated mesoporous carbons with nickel nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2010, Vol. 362, pp. 20–27.
• 16. J.R.C. SALGADO, F. ALCAIDE, G. ALVAREZ, L. CALVILLO, M.J. LAZARO, E. PASTOR: Pt-Ru electrocatalysts supported on ordered mesoporous carbon for direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources 2010, Vol. 195, pp. 4022–4029.
• 17. D. SAHA, S. DENG: Hydrogen adsorption on ordered mesoporous carbons doped with Pd, Pt, Ni, and Ru. Langmuir 2009, Vol. 45, pp. 12550–12560.
• 18. P. GAO, A. WANG, X. WANG, T. ZHANG: Synthesis of highly ordered Ir-containing mesoporous carbon materials by organic-organic self-assembly. Chemistry of Materials 2008, Vol. 20, pp. 1881–1888.
• 19. S.K. RYU, S.Y. KIM, N. GALLEGO, D.D. EDIE: Physical properties of silver-containing pitch-based activated carbon fibers. Carbon 1999, Vol. 37, pp. 1619–71625.
• 20. S.K. RYU, S.Y. KIM, Z. LI, M. JARONIEC: Characterization of silver-containing pitch-based activated carbon fibers. Journal of Colloid and Interface Science 1999, Vol. 220, pp. 157–162.
• 21. S. MIYANAGA, A. HIWARA, H. YASUDA: Preparation and high bacteriostatic action of the activated carbon possessing ultrafine silver particles. Science and Technology of Advanced Materials 2002, Vol. 3, pp. 103–109.
• 22. J. GÓRKA, M. JARONIEC, J. CHOMA: Fizykochemiczne właściwości mezoporowatych węgli z nanocząstkami zawierającymi żelazo i nikiel otrzymanych metodą miękkiego odwzorowania. Ochrona Środowiska 2011, vol. 33, nr 2, ss. 3–9.
• 23. A. WANG, J. REN, B. SHI, G. LU, Y. WANG: A facile one-pot synthesis of mesoporous graphite-like carbon through the organic-organic co-assembly. Microporous and Mesoporous Materials 2012, Vol. 151, pp. 287–292.
• 24. W. GAO, Y. WAN, Y. DOU, D. ZHAO: Synthesis of partially graphitic ordered mesoporous carbons with high surface areas. Advanced Energy Materials 2011, Vol. 1, pp. 115–123.
• 25. 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.
• 26. S.J. GREGG, K.S.W. SING: Adsorption, Surface Area and Porosity. Academic Press, New York 1982.
• 27. 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.
• 28. 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.
• 29. 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.
• 30. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE: Improved pore size analysis of carbonaceous adsorbents. Adsorption Science and Technology 2002, Vol. 20, pp. 307–315.
• 31. 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.