بخشی از مقاله
چکیده:
در این بررسی، سیلیکای مزوحفره AL-MCM-41 با استفاده از ماده فعال سطحی ستیلتریمتیلآمونیومبروماید بعنوان قالب و همچنین تترااتیلارتوسیلیکات و fumed silica بعنوان منبع سیلیس در شرایط قلیایی و هیدروترمال سنتز شد و نقش عوامل تاثیر گذار در تشکیل فاز نهایی شامل نسبت NaOH/Si ، منبع سیلیس و زمان بررسی گردید. نمونههای سنتز شده به کمک پراش اشعه ایکس در زوایای پایین، از لحاظ ساختاری و تشکیل Al-MCM-41 مورد شناسایی قرار گرفتند.
به کمک جذب و دفع گاز نیتروژن در 77 کلوین و استفاده از روش BET و BJH خواص سطحی ماده سنتز شده بدست آمد و همچنین از تصاویر SEM در تعیین اندازه ذره و بررسی مورفولوژی نهایی آن استفاده شده است. بررسیها نشان میدهد که میتوان با تغییر شرایط سنتز، به مواد سیلیکونی مزوحفره AL-MCM-41 در مقیاس نانو، با نظم ساختاری مناسب، حجم بالای حفرات و مساحت سطح بالا دست یافت.
-1 مقدمه
در سال 1992، سنتز گروه جدیدی از غربالهای مولکولی با نام M41S با قطر حفرههای مشخص از 2 تا 10 نانو متر توسط دانشمندان شرکت موبیل گزارش شد.[1] غربالهای مولکولی MCM-41 به دلیل سطح مقطع بالا و ماهیت مزوپور یکنواخت [2] کاربردهای گستردهای بهعنوان کاتالیست، جاذب و پایه کاتالیست دارند، همچنین این دسته از مواد به دلیل کاربرد گسترده در مهندسی شیمی، کاتالیست و علم نانو از طرف دانشمندان و صنعتگران توجه ویژهای پیدا کردهاند
با این حال با توجه به عدم وجود سایتهای اسیدی و ظرفیت تبادل یونی و یا نابود شده توسط عملیات حرارتی، کاربردهای MCM-41 سیلیکونی خالص محدود شده است .[ 6-4] بهاین منظور، اضافه کردن آلومینیوم به قالب MCM-41 سیلیکونی بهمنظور افزایش اسیدیته، افزایش پایداری حرارتی و مکانیکی و افزایش ظرفیت تبادل یونی انجام گرفته است.[10-7] تاکنون تحقیقاتی در زمینه سنتز و شناساییAL-MCM-41 با منابع مختلف سیلیس و آلومینیوم و با نسبتهای مختلف از Si /Al گزارش شده است
در سنتز غربال مولکولی Al-MCM-41 میتوان ویژگیهای محصول نهایی مثل اندازه و حجم حفرات را، با تغییر شرایط واکنش مثل دما و pH کنترل کرد .[17] دیوارههای غربال مولکولی اساسا آمورف و آرایش اتمی محلی، مشابه به آلومینو سیلیکات آمورف است. .[18] در فرایند سنتز این ماده، از مواد فعال سطحی مختلف معمولا CTAB - ستیل تری متیل آمونیوم برماید - و از منابع مختلف سیلیکا معمولا TEOS - تترا اتیل ارتو سیلیکات - در محیط آبی استفاده میشود
به طور کلی، در فرایندهای کاتالیستی زمانیکه ذرات در ابعاد نانو سنتز میشوند، به دلیل ایجاد سطح فعال بالا و گزینش پذیری عالی، شرایط بهتری برای افزایش سرعت فرایند و بازدهی آن فراهم میگردد، همچنین ذرات در ابعاد نانو محاسن ذرات همگن - سطح بالا - و ناهمگن - قابلیت جداسازی - را دارند و عملکرد آنها توسط اصلاح شیمیایی آسان است
در این مطالعه ساخت نانوذرات AL-MCM-41 به روش هیدروترمال بررسی شده است، که با انتخاب سه پارامتر مهم در سنتز، شامل نوع منبع سیلیس، زمان کریستالیزاسیون و میزان نسبت مولی NaOH/Si به بررسی تاثیر جداگانه هر یک از آنها بر میزان نظم ساختاری ماده پرداخته میشود. از پراش اشعه ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و جذب و دفع نیتروژن در 77 کلوین - BET-BJH - برای شناسایی Al-MCM-41 استفاده شده است.
-2 مواد و روش ها
-1-2 مراحل ساخت Al-MCM-41
جهت سنتز AL-MCM-41 ابتدا سوسپانسیونی از آب، CTAB و هیدروکسید سدیم تهیه میگردد. سپس منبع سیلیس به مخلوط اضافه شده و در دمای محیط همزده میشود. پس از اضافه کردن مقدار معینی سدیم آلومینات و پیرسازی مخلوط، ژل حاصل با ترکیب درصد مولی 1SiO2: 0.12CTAB: 0.0083Al2O3: xNaOH: 132H2O در دمای 373 کلوین به مدت زمان معین در اتوکلاو تحت سنتز قرار میگیرد. پس از شستشو، سانتریفیوژ و خشک سازی، نمونه بدست آمده در اکسیژن هوا کلسینه شده تا قالب از ساختار حفرات حذف شده و Al-MCM-41 مزومتخلخل بدست آید.
-2-2 مشخصه یابی ذرات
بهدلیل بالا بودن فاصله میان صفحهای در مواد مزوحفره MCM-41 - حدود 40 آنگستروم - ، الگوی پراش اشعه ایکس در زوایای پایین - LAXRD - اندازهگیری میگردد. بر این اساس، برای بررسی ساختار ماده سنتز شده و نظم آن از دستگاه Philips, - 40mA, 40 kV - در زوایای 0/8 - 2 تا 10 درجه - با گام 0/02 و زمان ماند 1 ثانیه در هر گام استفاده شده است.
ایزوترم جذب و دفع نیتروژن در دمای 77 کلوین با استفاده از دستگاه BELSORP-mini II اندازهگیری شده است؛ به نحویکه پیش از آغاز فرایند جذب، نمونه مورد نظر در دمای بالا به مدت 4 ساعت گاززدایی میگردد. با کمک ایزوترم جذب و دفع نیتروژن، مساحت سطح نمونه به روش BET و حجم کلی حفرات از میزان گاز جذب شده در فشار نسبی - P/P0 - نزدیک به 1 بدست آمده است. همچنین، مورفولوژی و اندازه ذرات سنتز شده Al-MCM-41 با کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی - - SEM مشاهده و ارزیابی شده است.
-3 نتایج وبحث
-1-3 ویژگیهای ساختاری و سطحی Al-MCM-41
در نمودارهای طیف پراش اشعه ایکس نمونههای سنتز شده که در ادامه آورده میشود، وجود پیک در محدوده - 2,1 - 2 و 3,8 نشاندهنده تشکیل ساختار ذرات Al-MCM-41 میباشد . با این وجود، مشاهده پیکهای بیشتر در محدوده - 4,1 - 2 و 6 از نظم بیشتر حفرات 6 وجهی در ساختار این ماده خبر میدهد.
ایزوترم جذب و دفع نیتروژن نمونهای از Al-MCM-41 سنتز شده با 423 - Fumed Silica کلوین، 24 ساعت - به عنوان نمونه در شکل 1 مشاهده میشود. با استفاده از ناحیه فشارهای نسبی - P/P0 - پایین ایزووترم که در آنها جذب تک لایه نیتروژن اتفاق میافتد و با کمک معادله BET میزان مساحت سطح ویژه نمونه بدست میآید - . - 1037 m2/g با افزایش فشار نسبی بین 0,35 تا 0 ,5 شیب نمودار زیاد شده، که بدلیل میعان مویینگی نیتروژن در حفرات مزو میباشد . این ایزوترم طبق دسته بندی IUPAC از نوع IV است که از مشخصههای مواد مزو متخلخل میباشد. منطبق شدن تقریبی شاخههای جذب و دفع نمودار ایزوترم بر هم نشان میدهد که بیشتر حفرات باز، مرتبط با سطح خارجی و در دسترس میباشند
شکل 1 -نمودار جذب/دفع نیتروژن در 77 کلوین بر نمونه ای از Al-MCM-41
