Otrzymywanie i właściwości adsorpcyjne mezoporowatych węgli z nanocząstkami ditlenku tytanu

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

Warianty tytułu

EN

Synthesis and adsorption properties of mesoporous carbons with titania nanoparticles

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Opisano sposób otrzymywania mezoporowatych węgli i kompozytów węglowych z nanocząstkami ditlenku tytanu. Wykorzystano metodę twardego odwzorowania, w której stałą matrycą były nanocząstki koloidalnej krzemionki o wymiarach ok. 24 nm oraz metodę miękkiego odwzorowania, w której matrycą były cząsteczki kopolimeru trójblokowego politlenku etylenu - politlenku propylenu - politlenku etylenu EO101PO56EO101 Lutrol F127. W metodzie twardego odwzorowania prekursorem węglowym była żywica fenolowo-paraformaldehydowa, natomiast w metodzie miękkiego odwzorowania żywica rezorcynowo-formaldehydowa. Kompozyty węglowe z ditlenkiem tytanu zawierały 10 i 20% wag. TiO₂. Badano właściwości adsorpcyjne węgli i kompozytów węglowo-tytanowych za pomocą niskotemperaturowej adsorpcji azotu w celu wyznaczenia porowatości i pola powierzchni tych materiałów. Otrzymane mezoporowate węgle i kompozyty węglowo-tytanowe charakteryzowały się całkowitą powierzchnią właściwą zmieniającą się w przedziale od 1300 do 331 m²/g oraz całkowitą objętością porów, zmieniającą się w przedziale od 4,26 do 0,63 cm³/g. Stwierdzono, że 10 lub 20% wag. dodatek TiO₂ do mezoporowatych węgli powoduje zmniejszenie pola powierzchni właściwej oraz objętości porów w stosunku to analogicznych próbek nie posiadających nanocząstek ditlenku tytanu. Otrzymane materiały węglowe cechują się dużym udziałem mezoporowatości w całkowitej objętości porów zmieniającym się od 73 do 96%.

EN

Synthesis of mesoporous carbons and carbon composites with titania nanoparticles is reported. The methods of hard and soft templating were employed using colloidal silica and poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide) EO101PO56EO101, Lutrol F127 as hard and soft templates, respectively. Phenol and formaldehyde were used as carbon precursors in hard templating, while resorcinol and formaldehyde were used in soft templating. The carbon composites with titania nanoparticles contained 10 and 20wt.% of titania. Adsorption properties of carbons and titania-carbon composites such as porosity and surface area were determined from low temperature nitrogen adsorption isotherms. The resulting carbons and titania-carbon composites were characterized by specific surface area ranging from 1300 to 331 m²/g and total pore volume ranging from 4.26 to 0.63 cm³/g. It is shown that the addition of 10 and 20 wt.% of titania into mesoporous carbons caused reduction of the surface area and pores volume in comparison to analogous samples without titania nanoparticles. Also, the materials studied featured a high contribution of mesopores in the total pore volume ranging from 73 to 96%.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty węglowe; mezoporowate kompozyty węglowe; nanocząstki ditlenku tytanu; metoda twardego i miękkiego odwzorowania; adsorpcja azotu; struktura porowata

EN

carbon composites; mesoporous carbon composites with titania nanoparticles; hard and soft templating; nitrogen adsorption; porous structure

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 60, nr 2
• Strony: 265--283
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., wykr.

Twórcy

autor

Choma J.

autor

Jaroniec M.

autor

Górka J.

autor

Jedynak K.

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

Bibliografia

• [1] J. Choma, M. Jaroniec, A. Zawiślak, Mezoporowate węgle: synteza i właściwości, Wiadomości Chem., 61, 2008, 373-402.
• [2] T. Yu, Y. H. Deng, L. Wang, R. L. Liu, L. J. Zhang, B. Tu, D. Y. Zhao, Ordered mesoporous nanocrystalline titanium carbide/carbon composites from in situ carbothermal reduction, Adv. Mater, 19, 2007, 2301-2306.
• [3] C. Liang, Z. Li, S. Dai, Mesoporous carbon materials: synthesis and modification, Angew. Chem. Int. Ed., 47, 2008, 3696-3717.
• [4] R . Ryoo, S. H. Joo, S. Jun, Synthesis of highly ordered carbon molecular sieves via template-mediated structural transformation, J. Phys. Chem. B, 103, 1999, 7743-7747.
• [5] F. Q. Zhang, Y. Meng, D. Gu, Y. Yan, C. Z. Yu, B. Tu, D. Y. Zhao, A facile aqueous route to synthesize highly ordered mesoporous polymers and carbon framework with 3D bicontinuous cubic structure, J. Am. Chem. Soc., 127, 2005, 13508-13509.
• [6] C. Liang, S. Dai, Synthesis of mesoporous carbon materials via enhanced hydrogen-bonding interaction, J. Am. Chem. Soc., 128, 2006, 5316-5317.
• [7] H. Huwe, M. Fröba, Synthesis and characterization metal and metal oxide nanoparticles inside mesoporous carbon CMK-3, Carbon, 45, 2007, 304-314.
• [8] K. Wikander, A. B. Hungaria, P. A. Midgley, A. E. C. Palmqvist, K. Holmberg, J. M. Thomas, Incorporation of platinum nanoparticles in ordered mesoporous carbon, J. Colloid Interface Sci., 305, 2007, 204-208.
• [9] Y. Wan, H. Wang, Q. Zhao, M. Klingstedt, O. Terasaki, D. Y. Zhao, Ordered mesoporous Pd/silica carbon as a highly active heterogeneous catalyst for coupling reaction of chlorobenzene in aqueous media, J. Am. Chem. Soc., 131, 2009, 4541-4550.
• [10] H. I. Lee, S. H. Joo, J. H. Kim, D. J. You, J. M. Kim, J.-N. Park, H. Chang, Ch. Pak, Ultrastable Pt nanoparticles supported on sulfur-containing ordered mesoporous carbon via strong metal support interaction, J. Mater. Chem., 19, 2009, 5934-5939.
• [11] Z. Lei, L. An, L. Dang, M. Zhao, J. Shi, Y. Cao, Highly dispersed platinum supported on nitrogencontaining ordered mesoporous carbon for methanol electrochemical oxidation, Micropor. Mesopor. Mater., 119, 2009, 30-38.
• [12] L. L. Zhang, T. Wei, W. Wang, X. S. Zhao, Manganese oxide-carbon composite as supercapacitor electrode materials, Micropor. Mesopor. Mater., 123, 2009, 260-267.
• [13] P. Gao, A. Wang, X. Wang, T. Zhang, Synthesis of highly ordered Ir-containing mesoporous carbon materials by organic-organic self-assembly, Chem. Mater., 20, 2008, 1881-1888.
• [14] P. F. Fulvio, Ch. Liang, S. Dai, M. Jaroniec, Mesoporous carbon materials with ultra-thin pore walls and highly dispersed nickel nanoparticles, Eur. J. Inorg. Chem., 2009, 605-612.
• [15] X. Wang, S. Dai, A simple method to ordered mesoporous carbons containing nickel nanoparticles, Adsorption, 15, 2009, 138-144.
• [16] Z. Lei, Y. Xiao, L. Dang, S. bai, L. An, Graphitized carbon with hierarchical mesoporous structure templated from colloidal silica particles, Micropor. Mesopor. Mater, 109, 2008, 109-117.
• [17] J. Zhou, J. He, T. Wang, D. Sun, G. Zhao, X. Chen, D. Wang, Z. Di, NiCl2 assisted synthesis of ordered mesoporous carbon and a new strategy for a binary catalyst, J. Mater. Chem., 18, 2008, 5776-5781.
• [18] J. Yao, L. Li, H. Song, Ch. Liu, X. Chen, Synthesis of magnetic separable ordered mesoporous carbons from F127/Ni(H2O)6](NO3)2/ resorcinol-formaldehyde composites, Carbon, 47, 2009, 436-444.
• [19] Y. Zhai, Y. Dou, X. Liu, B. Tu, D. Y. Zhao, One-pot synthesis of magnetically separable ordered mesoporous carbon, J. Mater. Chem., 19, 2009, 3292-3300.
• [20] J. Górka, M. Jaroniec, Incorporation of inorganic nanoparticles into mesoporous carbons synthesized by soft templating, J. Phys. Chem. C, 112, 2008, 11657-11660.
• [21] R. Liu, Y. Ren, Y. Shi, F. Zhang, L. Zhang, B. Tu, D. Y. Zhao, Controlled synthesis of ordered mesoporous C-TiO2 nanocomposites with crystalline titania frameworks from organic-inorganic amphiphilic coassembly, Chem. Mater., 20, 2008, 1140-1146.
• [22] X. Qian, Y. Wan, Y. Wen, N. Jia, H. Li, D. Y. Zhao, Synthesis of ordered mesoporous crystalline carbon-anatase composites with high titanic contents, J. Colloid Interface Sci., 328, 2008, 367-373.
• [23] S. K. Das, S. Darmakolla, A. J. Bhattacharyya, High lithium storage in micrometre sized mesoporous spherical self-assembly of anatase titania nanospheres and carbon, J. Mater. Chem., 20, 2010, 1600-1606.
• [24] 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, Chem. Mater., 20, 2008, 1069-1075.
• [25] S. Brunauer, P. H. Emmett, E. Teller, Adsorption of gases in multimolecular layers, J. Am. Chem. Soc., 60, 1938, 309-319.
• [26] S. J. Gregg, K. S. W. Sing, Adsorption, Surface Area and Porosity, 2nd Ed., Academic Press, New York 1982.
• [27] M. Jaroniec, K. Kaneko, Physicochemical foundations for characterization of adsorbents by using high-resolution comparative plots, Langmuir, 13, 1997, 6589-6596.
• [28] M. Kruk, M. Jaroniec, K. P. Gadkaree, Nitrogen adsorption studies of novel synthetic active carbons, J. Colloid Interface Sci., 192, 1997, 250-256.
• [29] 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, J. Am. Chem. Soc., 73, 1951, 373-380.
• [30] J. Choma, M. Jaroniec, M. Kloske, Improved pore size analysis of carbonaceous adsorbents, Adsorption Sci. & Technolog., 20, 2002, 307-315.
• [31] 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.
• [32] 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 Appl. Chem., 57, 1985, 603-619.