Strukturalne właściwości heksagonalnie uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych otrzymywanych przy użyciu kationowych surfaktantów

• Autorzy: Choma J. , Jaroniec M.

Warianty tytułu

EN

Structural properties of hexagonally ordered mesoporous silicous materials synthesized by using cationic surfactants

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wykorzystując program komputerowy HyperChem modelowano cząsteczki kationowych surfaktantów, bromków alkilotrimetyloamoniowych (o liczbie atomów węgla w łańcuchu alkilowym od 8 do 18) i alkilotrietyloamoniowych (od 20 do 22). Na podstawie modelowych struktur surfaktantów określono wymiary micel, stanowiących wzorce dla porów uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych MCM-41. W celach porównawczych wykorzystano dane literaturowe dotyczące strukturalnej i adsorpcyjnej charakterystyki materiałów MCM-41 do wyznaczenia wymiarów porów na podstawie równania wiążącego adsorpcyjną objętość uporządkowanych porów i parametr struktury uzyskany metodą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Ponadto wymiar porów oszacowano na podstawie funkcji rozkładu objętości porów wyznaczonej metodą Barretta, Joynera i Halendy (BJH) zmodyfikowaną przez Kruka, Jarońca i Sayari (KJS). Następnie sporządzono zależności wymiarów porów uzyskanych tymi trzema metodami od ilości atomów węgla w łańcuchu hydrofobowym surfaktantu i porównano je pod kątem ich przydatności do przewidywania wymiaru porów na podstawie długości łańcucha alkilowego w cząsteczce surfaktantu. Okazuje się, że zależność uzyskana dla wielkości porów przewidzianej na podstawie wielkości micel różni się od doświadczalnych zależności, ponieważ modelowanie micel nie uwzględnia efektu kurczenia się struktury krzemionki w procesie kalcynacji materiałów MCM-41 oraz zmian w konformacji łańcuchów hydrofobowych w micelach. W świetle tych ograniczeń, doświadczalna zależność wymiaru porów od ilości atomów węgla w łańcuchu surfaktantu wydaje się najbardziej przydatna do wyboru odpowiedniego surfaktanta do syntezy materiałów o określonej wielkości porów.

EN

The HyperChem computer software was utilized to model molecules of cationic surfactants, alkyltrimethylammonium bromides (with number of carbon atoms in the hydrophobic chain from 8 to 18) and alkyltriethylammonium bromides (with number of carbon atoms in the hydrophobic chain from 20 to 22). These modeled surfactant structures were used to determine the size of micelles, which were templates for ordered mesoporous siliceous materials MCM-41. For comparative purposes the literature data reporting the structural and adsorption characteristics of MCM-41 materials were used to determine the pore size by means of equation associating the adsorption volume of ordered pores with the structure parameter obtained from powder X-ray diffraction. Also, the pore size was estimated by using the Barrett, Joyner and Halenda (BJH) method modified by Kruk, Jaroniec and Sayari (KJS). Next, the relationships between the pore size evaluated by means of the three aforementioned methods and the number of carbon atoms in the hydrophobic chain of the surfactant were made and compared from the viewpoint of using them for predicting the pore size on the basis of the surfactant chain length. It is shown that the relationship for the pore size estimated on the basis of the micelle size differs from that obtained experimentally because the computer modeling of micelles does not take into account the shrinkage of silica structure during calcination of MCM-41 materials and the change in conformation of hydrophobic chains in micelles. In the light of these limitations, the experimental dependence of the pore size on the number of carbon atoms in the surfactant chain seems to be the most useful for selection of proper surfactant for the synthesis of materials of desired pore size.

Słowa kluczowe

PL

materiały krzemionkowe MCM-41; właściwości strukturalne; modelowanie komputerowe cząsteczek surfaktantów; adsorpcja; surfaktant

EN

physical chemistry; siliceous materials MCM-41; structural properties; computer simulations; surfactant

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 52, nr 10
• Strony: 135--151
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Choma J.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Chemii, 00-908 Warszawa, ul. Kaliskiego 2

autor

Jaroniec M.

• Kent State University, Kent, Department of Chemistry, OH 44242, USA

Bibliografia

• [1] U. CIESLA. F. SCHUTH, Ordered mesoporous materials, Micropor. Mesopor. Mater., 27 (1999), 131-149.
• [2] E. M. RAIMONDI, J.M. SEDDON, Liquid crystal templating of porous materials, Liquid Cryst., 26 (1999), 1-35.
• [3] J. Y. YING , C. P. MEHNERT, M. S. WONG, Synthesis and applications of supramolecular-templated mesoporous materials, Angew. Chem. Inter. Ed., 26 (1999), 56-77.
• [4] С. T. K.RESGE , M. E. LEONOWICZ , W. J. ROTH, J. C. VAKTULI, J. S. BECK, Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by liquid-crystal template mechanism. Nature, 359 (1992), 710-712.
• [5] M. M. L. R. CARROTT, A. J. ESTEVAO-CANDEIAS, P. J. M. CARROTT, K. K. UNGER, Evaluation of the stability pure silica MCM-41 toward water vapor, Langmuir, 15 (1999), 8895-8901.
• [6] J. FRASCH, B. LEBEAU, M. SOULARD, J. PATARIN, In situ investigation on cetyltrimethylammonium surfactant/silicate systems, precursors of organized mesoporous МСМ-41-type siliceous materials, Langmuir, 16 (2000), 9049-9057.
• [7] J. CHOMA, W. BURAKIEWICZ-MORTKA, M. JARONIEC, Comparison of adsorption properties of MCM-41 materials obtained using cationic surfactants with octyl chain, Colloids and Surfaces., 203 (2002), 97-103.
• [8] A. DAVIDSON, Modifying the walls of mesoporous silicas prepared by supramolecular-templating, Current Opinion in Colloid & Inter. Sci., 7 (2002), 92-106.
• [9] J. S. BECK, J. C. VARTULI, W. J. ROTH, M. E. LEONOWICZ, C. T. KRESGE, K. D. SCHMITT, C. T. W. CHU, D. H. OLSON, E. W. SHEPPARD, S. B. MCCULLEN, J. B. HIGGINS, J. L. SCHLENKER, A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates, J. Am. Chem. Soc., 114 (1992), 10834-10843.
• [10] R. RYOO, L.-S. PARK, S. JUN, CH.W. LEE, M. KRUK, M. JARONIEC, Synthesis of ordered and disordered silicas with uniform pores on border between micropore and mesopore regions using short double-chain surfactants, J. Am. Chem. Soc., 123 (2001), 1650-1657.
• [11] A. SAYARI, M. KRUK, M. JARONIEC, Characterization of microporous-mesoporous MCM-41 silicates prepared in the presence of octyltrimethylammonium bromide, Catalysis Letters, 49 (1997), 147-153.
• [12] M. KRUK, M. JARONIEC, A. SAYARI, Adsorption study of surface and structural properties of MCM- 41 materials of different pore size, J. Phys. Chem. B, 101 (1997), 583-589.
• [13] J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE, Uporządkowane nanoporowate materiały krzemionkowe: synteza, modyfikacja i charakterystyka, Biul. WAT, L, 10 (2001), 83-183.
• [14] M. JARONIEC, M. KRUK, H.J. SHIN, R. RYOO, Y SAKAMOTO, O. TERASAKI, Comprehensive characterization of highly ordered MCM-41 silicas using nitrogen adsorption, thermogravimetry. X-ray diffraction and transmission electron microscopy, Micropor. Mesopor. Mater., 48 (2001), 127-134.
• [15] M. KRUK, M. JARONIEC, Y. SAKAMOTO, O. TERASAKI, R. RYOO, CH.H. Ko, Determination of pore size, and pore wall structure of MCM-41 by using nitrogen adsorption, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction, J. Phys. Chem. B, 104 (2000), 293-301.
• [16] M. KRUK, M. JARONIEC, J.M. KIM, R. RYOO, Characterization of highly ordered MCM-41 silicas using X-ray diffraction and nitrogen adsorption, Langmuir, 15(1999), 5279-5284.
• [17] M. KRUK, M. JARONIEC, A. SAYARI, Structural and surface properties of siliceous and titanium-modified HMS molecular sieves, Micropor. Mater., 9 (1997), 173 -182.
• [18] M. KRUK, M. JARONIEC, R. RYOO, J. M. KIM, Monitoring of the structure of siliceous mesoporous molelular sieves tailored using different synthesis conditions, Micropor. Mater., 12 (1997), 93-106.
• [19] J. CHOMA, M. JARONIEC, W. BURAKIEWICZ-MORTKA, E. MICHALSKI, M. KLOSKE, Synthesis and characterization of C10-and C16-MCM-41 materials, Biul. WAT, L, 10 (2001), 5-14.
• [20] HyperChem for Windows, Getting started, Computational chemistry, Hypercube, Inc., Canada 2002.
• [21] A. ORTLAM, J. RATHOUSKY, G. SCHULZ-EKLOFF, A. ZUKAL, MCM-41 as-synthesized and calcined materials: temporal development of X-ray reflection intensity and pore volume, Micropor. Mater., 6 (1996), 171-180.
• [22] M. KRUK, M. JARONIEC, A. SAYARI, Application of large pore MCM-41 molecular sieves to improve pore size analysis using nitrogen adsorption measurements, Langmuir, 13 (1997), 6267-6273.
• [23] S. J. GREGG, K. S. W. SING, Adsorption surface area and porosity, Academic Press, London 1991.
• [24] E. P. BARRETT, L. G. JOYNER, P. P. HALENDA, The determination of pore volume and area distributions in porous substances. 1. Computations from nitrogen isotherms, J. Am. Chem. Soc., 73 (1951), 373-380.
• [25] M. JARONIEC, M. KRUK. J. P. OLIVIER, Standard nitrogen adsorption data for characterization of nanoporous silicas, Langmuir, 15 (1999), 5410-5413.