Mikro-mezoporowate węgle: otrzymywanie, właściwości, zastosowanie

• Autorzy: Choma J.

Warianty tytułu

EN

Micro-mesoporous Carbons: Synthesis, Properties, Application

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Mezoporowate materiały węglowe są szeroko stosowane w życiu codziennym i w przemyśle dlatego, że charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią właściwą i objętością porów, a także wyjątkowymi fizykochemicznymi właściwościami ze szczególnym uwzględnieniem właściwości adsorpcyjnych. Prezentowana praca jest poświęcona przeglądowi literatury dotyczącej nowych metod syntezy, charakterystyki i zastosowania mezoporowatych materiałów węglowych. Jednym z głównych celów tej pracy jest omówienie syntezy mezoporowatych węgli metodą twardego odwzorowania z wykorzystaniem uporządkowanych mezoporowatych krzemionek, koloidalnej krzemionki i koloidalnych kryształów krzemionkowych. Szczególną uwagę poświęcono metodzie, w której wykorzystano monolity krzemionkowe otrzymane w wyniku sprasowania nanocząstek koloidalnej krzemionki, które następnie impregnowano roztworem kwasu szczawiowego, (katalizatorem reakcji polimeryzacji), rezorcynolem i formaldehydem (prekursorami węglowymi). Następnie prekursory węglowe polimeryzowano i karbonizowano oraz ostatecznie wytrawiano stałą matrycę krzemionkową, otrzymując mezoporowaty węgiel o jednorodnych porach odpowiadających wymiarom koloidalnej krzemionki. Mezoporowate węgle poddawano też aktywacji za pomocą KOH, rozwijając ich mikroporowatość. Innym ważnym zagadnieniem, które rozważano w tym artykule, była synteza mezoporowatych węgli metodą miękkiego odwzorowania z wykorzystaniem termoutwardzalnych polimerów (np. żywicy fenolowej), jako prekursorów węglowych, w obecności blokowych kopolimerów - jako miękkich matryc. Metoda miękkiego odwzorowania jest prostą i efektywną metodą, pozwalającą na kontrolowanie mezoporowatej struktury węgli, np. pH mieszaniny reakcyjnej wpływa na średni wymiar porów otrzymywanego węgla. Opisano sposoby rozwijania mikroporowatości mezoporowatych węgli za pomocą dodawania podczas syntezy tetraetoksysilanu (TEOS) i wytrawiania powstałej z niego krzemionki lub aktywacji mezoporowatych węgli za pomocą KOH. W pracy zaprezentowano też opisane w literaturze sposoby zastosowania uporządkowanych mezoporowatych węgli do oczyszczania wody z barwników, fenolu i innych organicznych zanieczyszczeń. Opisano także inne próby zastosowania tych węgli, np. w bateriach litowo-węglowych, jako materiały do produkcji elektrod, do otrzymywania materiałów o supermagnetycznych właściwościach do adsorpcji dużych cząsteczek organicznych, jako materiał elektrodowy w superkondensatorach, jako adsorbent do usuwania jonów metali ciężkich z wody, niebezpiecznych anionów i toksycznych związków organicznych, jako nośnik katalizatorów oraz jako adsorbent do przechowywania wodoru.

EN

Mesoporous carbonaceous materials are widely used in everyday life and industry because they possess very high surface area, pore volume and unique physicochemical properties, including adsorption characteristics. This article presents a survey of literature devoted to new methods of synthesis, characterization and application of mesoporous carbonaceous materials. One of major topics reviewed in this work is the synthesis of ordered mesoporous carbons (OMCs) with help of ordered mesoporous silicas (OMSs), colloidal silica and colloidal silica crystals as hard templates. A special emphasis was placed on the method, which employs monolithic siliceous templates obtained by pressing colloidal silica followed by their impregnation with oxalic acid (catalyst), resorcinol and formaldehyde (carbon precursors), polymerization of carbon precursors, carbonization and template removal. Since the pore volumes for the mesoporous carbon monoliths studied are quite large (4.26 and 3.25 cm3/g), the film-type replication occurred; note that in the case of a complete filling of pores with carbon (having the true density of 2.1 g/cm3) the pore volume of the inverse carbon replica should not exceed 1.36 cm3/g. This method affords carbons with uniform spherical mesopores as well as carbon composites with inorganic nanoparticles (e.g., silver), which after additional activation (e.g., with KOH) lead to micro and mesoporous carbons of superior structural characteristics. Another important topic reviewed in this article is the synthesis of mesoporous carbons from thermosetting polymers (e.g., phenolic resins) used as carbon precursors in the presence of block copolymers used as soft templates. This new synthesis strategy affords mesoporous carbons in the form of monoliths, fibers and films and permits to scale up this process. Soft-templating is a simple and effective method for controlling the mesoporous structure of carbons; for instance, pH of the synthesis mixture influences the average pore size of the resulting carbons. The initial synthesis conditions, basic or acidic, affect the average pore size (which is about 4 or 8 nm, respectively) as well as the cross-linking and thickness of pore walls that determine chemical, mechanical, and thermal stability of the resulting carbons. Tetraethyl orthosilicate was introduced to the system in order to develop microporosity. After silica dissolution the expected increase in microporosity was observed; interestingly, the mesoporosity was also improved. Post-synthesis activation with KOH at 973 K was proposed as an alternative approach to develop additional microporosity. The treatment resulted in the increased microporosity; however, this time the mesoporosity significantly decreased. Both methods were effective and led to the formation of additional microporosity. This paper presents an overview of recent literature on the application of ordered mesoporous carbons for water treatment involving the removal of dyes, phenols and other organic pollutants.

Słowa kluczowe

PL

mezoporowate węgle; synteza; aktywacja; właściwości; struktura porowata; zastosowanie

EN

mesoporous carbons; synthesis; activation; properties; porous structure; application

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 16, nr 2
• Strony: 163--178
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz.

Twórcy

autor

Choma J.

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

Bibliografia

• [1] Choma J., Jaroniec M., Characterization of nanoporous carbons by using adsorption isotherms, [in:] Activated Carbon Surfaces in Environmental Remediation, ed. T. Bandosz, Elsevier, Amsterdam 2006.
• [2] Jankowska H., Świątkowski A., Choma J., Active Carbon, Ellis Horwood Ltd., Chichester 1991.
• [3] Choma, J., Jaroniec, Zawiślak A., Mezoporowate węgle: synteza i właściwości, Wiad. Chem. 2008, 61, 5-6, 373-402.
• [4] Ryoo R., Joo S.H., Jun S., Synthesis of highly ordered carbon molecular sieves via template- -mediated structural transformation, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7743-7746.
• [5] Jun S., Joo S.H., Ryoo R., Kruk M., Jaroniec M., Liu Z., Oshuna T., Terasaki O., Synthesis of new, nanoporous carbon with hexagonally ordered mesostructure, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10712-10713.
• [6] Lee J., Yoon S., Hyeon T., Oh S.M., Kim K.B., Synthesis of a new mesoporous carbon and its application to electrochemical double-layer capacitors, Chem. Commun. 1999, 2177-2178.
• [7] Kyotani T., Control of porous structure in carbon, Carbon 2000, 38, 269-286.
• [8] Lee J., Kim J., Hyeon T., Recent progress in the synthesis of porous carbon materials, Adv. Mater. 2006, 18, 2073-2094.
• [9] Inagaki S., Oikawa K., Kubota Y., Effect of carbon source on the textural and electrochemical properties of novel cage-type mesoporous carbon as a replica of KIT-5 mesoporous silica, Chem. Lett. 2009, 38, 918-919.
• [10] Liang C., Hong K., Guiochon G.A., Mays J.W., Dai S., Synthesis of a large-scale highly ordered porous carbon film by self-assembly of block copolymers, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 3, 5785-5789.
• [11] Zhang F., Meng Y., Gu D., Yan Y., Yu C., Tu B., Zhao D., A facile aqueous route to synthesize highly ordered mesoporous polymers and carbon frameworks with Ia3d bicontinuous cubic structure, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13508-13509.
• [12] Tanaka S., Nishiyama N., Egashira Y., Ueyama K., Synthesis of ordered mesoporous carbons with channel structure from an organic-organic nanocomposite, Chem. Commun. 2005, 2125- -2127.
• [13] Jin J., Nishiyama N., Egashira Y., Ueyama K., Pore structure and pore size controls of ordered mesoporous carbons prepared from resorcinol/formaldehyde/triblock polymers, Micropor. Mesopor. Mater. 2009, 118, 218-223.
• [14] Górka J., Zawiślak A., Choma J., Jaroniec M., KOH activation of mesoporous carbons obtained by soft-templating, Carbon 2008, 46, 1159-1161.
• [15] Choma J., Jedynak K., Jamioła D., Jaroniec M., Wpływ temperatury karbonizacji na adsorpcyjne i strukturalne właściwości mezoporowatych węgli otrzymywanych metodą miękkiego odwzorowania, Ochr. Środ. 2012, 34, 2, 3-8.
• [16] Choma J., Kloske M., Zawiślak A., Jaroniec M., Synteza i właściwości mezoporowatych węgli otrzymanych z żywic fenolowych w obecności polimerów blokowych, Ochr. Środ. 2007, 29, 1, 3-9.
• [17] Kruk M., Jaroniec M., Ryoo R., Joo S.H., Charaterization of ordered mesoporous carbons synthesized using MCM-48 silicas as templates, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 7960-7968.
• [18] Ryoo R., Joo S.H., Kruk M., Jaroniec M., Ordered mesoporous carbons, Adv. Mater. 2001, 13, 677-681.
• [19] Zakhidov A.A., Baughman R.H., Iqbal Z., Cui C., Khayrullin I., Dantas S.O., Marti J., Ralchenko V.G., Carbon structures with three-dimensional periodicity at optical wavelengths, Science 1998, 282, 897-901.
• [20] Han S., Hyeon T., Novel silica-sol mediated synthesis of high area porous carbons, Carbon 1999, 37, 1645-1647.
• [21] Li Z.J., Jaroniec M., Colloidal imprinting: A novel approach to the synthesis of mesoporous carbons, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9208-9209.
• [22] Choma J., Jaroniec M., Kloske M., Zawiślak A., Mezoporowate materiały węglowe: Synteza z wykorzystaniem matryc krzemionkowych i charakterystyka właściwości adsorpcyjnych, Ochr. Środ. 2008, 30, 2, 3-15.
• [23] Jaroniec M., Choma J., Górka J., Zawiślak A., Colloidal templating synthesis of carbonaceous monoliths assuring formation in uniform spherical mesopores and incorporation of inorganic nanoparticles, Chem. Mater. 2008, 20, 1069-1075.
• [24] Choma J., Dziura A., Jamioła D., Marszewski M., Otrzymywanie mezoporowatych węgli o dużej powierzchni właściwej i dużej objętości porów, Ochr. Środ. 2012 34, 1, 3-7.
• [25] Choma J., Jedynak K., Marszewski M., Jaroniec M., Organic acid-assisted soft-templating synthesis of ordered mesoporous carbons, Adsorption 2013, 13, 563-569.
• [26] Górka J., Zawiślak A., Choma J., Jaroniec M., Adsorption and structural properties of soft- -templating mesoporous carbons obtained by carbonization at different temparatures and KOH activation, Applied Surface Sci. 2010, 256, 5187-5190.
• [27] Choma J., Jedynak K., Fahrenholtz W., Ludwinowicz J., Jaroniec M., Rozwijanie mikroporowatości w węglach mezoporowatych, Ochr. Środ. 2013, 35, 1, 3-10.
• [28] Zhuang X., Wan Y., Feng C., Shen Y., Zhao D., Highly efficient adsorption of bulky dye molecules in wastewater on ordered mesoporous carbons, Chem. Mater. 2009, 21, 706-716.
• [29] Yuan X., Zhuo S.P., Xing W., Cui H.Y., Dai X.D., Liu X.M., Yan Z.F., Aqueous dye adsorption on ordered mesoporous carbons, J. Colloid Interface Sci. 2007, 310, 83-89.
• [30] Asouhidou D.D., Triantatyllidis K.S., Lazaridis N.K., Matis K.A., Kim S.S., Pinnavaia T.J.,Sorption of reactive dyes from aqueous solutions by ordered hexagonal and disordered mesoporous carbons, Micropor. Mesopor. Mater. 2009, 117, 257-267.
• [31] Aniba M., Moradi S.E., Adsorption of naphthalene-derived compounds from water by chemically oxidized nanoporous carbon, Chem. Engin. J. 2009, 148, 452-458.
• [32] Liang X., Li J., Zhu W., Zhu Y., Sun X., Shen J., Han W., Wang L., Synthesis of nanoscale zero-valent iron/ordered mesoporous carbon for adsorption and synergistic reduction of nitrobenzene, Chemosphere 2012, 87, 655-660.
• [33] Wan Y., Cui X., Wen Z., Ordered mesoporous carbon coating on cordierite: Synthesis and application as an efficient adsorbents, J. Hazardous Mater. 2011, 198, 216-223.
• [34] Liang C., Dudney N.J., Howe J.Y., Hierarchically structured sulfur/carbon nanocomposite material for high-energy lithium battery, Chem. Mater. 2009, 21, 4724-4730.
• [35] Ramasamy E., Chun J., Lee J., Soft-template synthesized ordered mesoporous carbon counter electrodes for dye-sensitized solar cell, Carbon 2010, 48, 4556-4577.
• [36] Zhai Y., Dou Y., Liu X., Park S.S., Ha C.S., Zhao D., Soft-template synthesis of ordered mesoporous carbon/nanoparticle nickel composites with a high surface area, Carbon 2011, 49, 545-555.
• [37] Yoon S., Oh S.M., Lee C., Direct template synthesis of mesoporous carbon and its application to supercapacitor electrodes, Mater. Research Bull. 2009, 44, 1663-1669.
• [38] Choma J., Zastosowanie nanoporowatych materiałów do oczyszczania wody, Ochr. Środ. 2011, 33, 4, 15-22.
• [39] Ambrosio E.P., Dumitrescu M.A., Francia C., Gerbaldi C., Spinelli P., Ordered mesoporous carbons as catalyst support for PEM fuell cells, Fuell Cells 2009, 9, 197-200.
• [40] Xia K.S., Gao Q.M., Wu C.D., Song S.Q., Ruan M.L., Activation, characterization and hydrogen storage properties of the mesoporous carbon CMK-3, Carbon 2007, 45, 1989-1996.