1.7. Felületek és katalizátorok

Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23.

1.7. Felületek és katalizátorok Polimer töltőanyagként alkalmazható agyagásvány nanostruktúrák előállítása

Horváth Erzsébet

Kristóf János, Kurdi Róbert, Makó Éva, Tatiana Yuzhakova, 7 hallgató,

2

8

Mobilitás és Környezet konferencia

2012. 01. 23

1.7. Felületek és katalizátorok véggáztisztító katalizátorok fejlesztése agyagásványok delaminációs folyamatainak tervezése

agyagásvány nanocsövek előállítása agyagásvány organokomplexek szerkezet meghatározása, a komplex stabilitást befolyásoló tényezők feltárása (a reaktív belső felület energetikai jellemzése) a felület/határfelület szerkezeti jellemzése a delaminációs folyamat és annak energetikai jellemzése

3

8


2012. 01. 23

Az agyagásványok, felületmódosított származékaik és hibridjeik ipari felhasználása a FELÜLETI REAKTIVITÁS FELÜLETI TULAJDONSÁGOK függvénye

Mechanokémiai aktiválás Interkaláció/ioncsere Termikus kezelés Reakciók a rétegközti térben Adszorbensek Nanokatalizátorok Szűrők, membránok Ioncserélők, biofilm hordozók Nanohibrid töltőanyagok

(polimer, fúróiszap, gyógyszer/kozmetikumok, festékek)

kaolinit montmorillonit

termékek

töltőanyagok, nanostruktúrák

4

8


2012. 01. 23

MÓDOSÍTOTT FELÜLETŰ AGYAGÁSVÁNYOK, mint polimerek töltőanyagai… kiváló mechanikai tulajdonságok, alacsony szivárgási tényező hő- és lángállóság színezhetőség alacsony koncentráció (2-5 m/m%)

a megfelelő tulajdonságok elérése érdekében… nagy érintkezési/határfelület nagy diszperzitásfok

HOGYAN?

az agyagásvány rétegek teljes delaminációja (A) intercaláció/reakciók a rétegközti térben (B) többlépéses interkaláció (C) Ioncsere (montmorillonit)

5

8


2012. 01. 23

KAOLINIT Külső felületi OH

Belső OH Belső felületi OH reagens

d(001): 7,1 Å

6

8


2012. 01. 23

MONTMORILLONIT Lecserélendő kation: K+, Na+, Ca2+, Mg2+

d(001): 11,8 Å R 4N + T

reagens

O T

dodecyltrimethylammonium

Kation

didodecyldimethylammonium

hexadecylitrimethylammonium

7


8

2012. 01. 23

ELJÁRÁS:

3 különböző rendezettségű kaolin HI  0,3 0,7 1,3

(A) Kao

d(001)

(B)

7,1 Ǻ

d(001)

7,1 Ǻ

Prekurzor karbamid+Kao 10,7 Ǻ KAc+Kao

14,1 Ǻ 11,0 Ǻ

1

triethanolamin

11,0 Ǻ

Etilén-glycol

2

R4N+ szintézise MeI

11,6 Ǻ

n-hexylamin

3

delamináció polielektrolittal

N/M

(150 ̊C, 1 h MW)

(24 h, 20 ̊C)

n-oktadecilamine,

(90 ̊C, 48 h) tisztítás

21,0-26,0 Ǻ

56 Å

8

8


2012. 01. 23

(A) módszer

HI=0,33

HI=0,79 HI=1,33

a halloysit(típusú) nanocső kialakulása függ:

rendezettség…

9

8


2012. 01. 23

HI= 0,33

(B) módszer

100-200 nm

a halloysit(típusú) nanocső kialakulása függ: HI HI= 0,79 200-500 nm

Kac-al keverve Vízgőz tenziójú térben

Delaminációs eljárás Prekurzor előállítása.

őrléssel

HI= 1,33 500-1000 nm

Ø ~ 24 Å !!!

1 0

8


2012. 01. 23

A delaminációs folyamatokban az egyes lépések sorrendje kritikus a morfológiai változás sikeressége érdekében!

A hosszú reakció idők lerövidítésére

MW

A megfelelő reagens és a megfelelő sorrend megválasztása Molekula Mechanikai számítások ANYAGSZERKEZETI VIZSGÁLATOK ÉS (MULTISKÁLÁS) KÉMIAI SZÁMÍTÁSOS MÓDSZEREK

1 1

8


2012. 01. 23

Spartan’ 10 Windows MMFF94 báziskészlet (Wavefunction Inc. USA)

korlátozások:

„Mineraldata” database a TO rétegek felépítésére Kísérleti adatok (IR, Raman, XRD, TA) használata. az interkalációs reagens monomolekuláris rétegben van jelen, H-hidas kölcsönhatások. A reagens molekulák között nincs kölcsönhatás;

a számítás menete: A szerkezet optimalizálása MM módszerrel A relatív rendszer energiákat DFT számításokból, csökkentett atomszám esetén.

!!! A kísérleti adatok (IR,R, NMR spektroszkópia, TA XRD) és a számításos módszer kiegészíti egymást !!!

8


2012. 01. 23

Miért lényegesen nagyobb a bázislap távolság, mint a reagens molekula mérete?

energia befektetés Relatív energia különbség

1 2

energia felszabadulás

Komplex stabilizáló paraméterek: Víz, H-híd erősség

d(001) ~ 55 Å

d(001)= 21-27 Å

Kaolinit + etilén-glykol

MW, 100 ̊C, 1h d(001)= 11,0 Å

Kaolinit + K-acetát Kaolinit

prekurzor d(001)= 14,1 Å

ENERGIAGÁT: csökkenthető

Kaolinit + n-hexilamin

Reakció koordináta

Kaolinit + n-oktadecilamin

1 3

8


2012. 01. 23

A kaolinit rendszer energiája a bázislap távolság függvényében: mi tartja össze a rétegeket?

Komplex stabilizáló paraméterek befolyásolhatják!!

1 4

8


2012. 01. 23

Alapkérdés:

Miért lényegesen nagyobb a bázislap távolság, Mint a reagens molekula mérete?

d  12,4 Ǻ több, mint 1 reagens réteg

A rétegeket összetartó erők:

kölcsönhatások a reagens molekulák, kölcsönhatások a rétegek és a reagens molekulák között

~8,2 (7,1) Ǻ < d  12,4 Ǻ,

A rétegeket összetartó erők:

a reagens molekulák között fellépő taszító és vonzóerők eredője

+

kölcsönhatások a rétegek között

+

a rétegek és a reagens molekulák között

1 5

8


2012. 01. 23

Kritikus rétegtávolságok a teljes delamináció eléréséhez

kaolinit

montmorillonit

8

350


2012. 01. 23

Polimer mátrixban:

300

Modulus /MPa/

1 6

250 200 150 100

Hőállóság: 1,9x

1 7

8


2012. 01. 23

összefoglalás: A halloysite-típusú nanostruktúra kialakulása függ:

HI; preparáció/felületmódosítás módja

A nanocsövek hossza függ:

a prekurzor preparálásának módja;

A teljes delamináció egy kritikus bázislap távolság elérése után kísérelhető meg, figyelembe véve a komplex stabilizáló tényezőket

Töltőanyagként felületkezelést követően alkalmas

TAMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003

Mobilitás és környezet Járműipari, energetikai és környezeti kutatások a Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Nemzeti Fejlesztési Ügynökség www.ujszechenyiterv.gov.hu 06 40 638 638

Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

1.7. Felületek és katalizátorok

Recommend Documents