Hybrid materials based on polyethylene and MCM-41 microparticles functionalized with silanes: catalytic aspects of in situ polymerization, crystalline features and mechanical properties

New nanocomposites based on polyethylene have been prepared by in situ polymerization of ethylene in presence of mesoporous MCM-41. The polymerization reactions were performed using a zirconocene catalyst either under homogenous conditions or supported onto mesoporous MCM-41 particles, which are synthesized and decorated post-synthesis with two silanes before polymerization in order to promote an enhanced interfacial adhesion. The existence of polyethylene chains able to crystallize within the mesoporous channels in the resulting nanocomposites is figured out from the small endothermic process, located at around 80 C, on heating calorimetric experiments, in addition to the main melting endotherm. These results indicate that polyethylene macrochains can grow up during polymerization either outside or inside the MCM-41 channels, these keeping their regular hexagonal arrangements. Mechanical response is observed to be dependent on the content in mesoporous MCM-41 and on the crystalline features of polyethylene. Accordingly, stiffness increases and deformability decreases in the nanocomposites as much as MCM-41 content is enlarged and polyethylene amount within channels is raised. Ultimate mechanical performance improves with MCM-41 incorporation without varying the final processing temperature.

Ir supported over carbon materials for the selective hydrogenation of chloronitrobenzenes

In the present work we have studied the effect of carbon supports with different graphitic character (carbon nanotubes, mesoporous graphite and activated carbon) on the catalytic performance of iridium nanoparticles on the liquid phase chemoselective hydrogenation of para-chloronitrobenzene at room temperature. The effect of the oxygen groups was also evaluated by oxidizing a portion of the carbon nanotubes. The Raman and XRD spectra showed that the mesoporous graphite displayed the strongest graphitic character. The characterization of the catalysts by HR-TEM, XPS and TPR-H2, showed that the catalysts had similar particle size and that the catalysts prepared over the previously oxidized support, Ir/CNTox, was not fully reduced. The activity and selectivity achieved with the catalyst Ir/CNT was the best among the samples and the presence of irdium oxide on Ir/CNTox diminished the yield to p-chloroaniline, being the worse catalyst. The reactivity of different isomers was also studied over Ir/CNT and it followed the order m > o > p.

Ordered mesoporous titanium oxide for thin film microbatteries with enhanced lithium storage

A 3D mesoporous TiO2 material with well-developed mesostructure is prepared in the form of a binder-free thin (100 nm) film and studied as potential candidate for the negative electrode in lithium microbatteries. By appropriate thermal treatments, the selected crystal structure (anatase, rutile, or amorphous), and micro-/mesostructure of the materials was obtained. The effects of voltage window and prelithiation treatment improved first cycle reversibility up to 86% and capacity retention of 90% over 100 cycles. After a prolonged intercalation of lithium ions in ordered mesoporous TiO2 appeared small particles assigned to Li2Ti2O4 with cubic structure as observed from ex-situ TEM micrographs. This study highlights the flexibility of the potential window to which the electrode can operate. Maximum capacity values over 100 cycles of 470 μA h cm−2 μm−1 and 177 μA h cm−2 μm−1 are obtained for voltage ranges of 0.1–2.6 V and 1.0–2.6 V, respectively. The observed values are between 6 and 2 times higher than those obtained for films with 600 nm (80 μA h cm−2 μm−1) and 900 nm (92 μA h cm−2 μm−1) lengths. This indicates that 100 nm thin TiO2 films with high accessibility show finite-length type diffusion which is interesting for this particular application.

Delivery of fluorouracil and siRNA by mesoporous silica nanoparticles to drug resistant colorectal cancer

 Mesoporous silica nanoparticle based drug and gene delivery system was developed to overcome the acquired drug resistance in colorectal cancer by targeted delivery of anti-cancer drug in the cytoplasm of the cancer cells and silencing the gene expression related to drug resistance.

Amino-functionalized mesoporous silica based polyethersulfone-polyvinylpyrrolidone composite membranes for elevated temperature proton exchange membrane fuel cells

It is important to find alternative membranes to the state-of-the-art polybenzimidazole based high temperature proton exchange membranes with high proton conductivity at elevated temperature but with simple synthesis procedures. In this work, inorganic-organic nanostructured hybrid membranes are developed based on a polyethersulfone-polyvinylpyrrolidone (PES-PVP) polymeric matrix with hollow mesoporous silica (HMS), amino-functionalized hollow mesoporous silica (NH2-HMS) and amino-functionalized mesoporous silica (NH2-meso-silica). The composite membranes show a significant increase in proton conductivity and a decrease in the activation energy for proton diffusion in comparison with the phosphoric acid (H3PO4, PA) doped PES-PVP membrane. And the composite membrane with NH2-HMS shows the best performance under the conditions in this study, achieving the highest proton conductivity of 1.52 × 10-1 S cm-1 and highest peak power density of 480 mW cm-2 at 180 °C under anhydrous conditions, which is 92.7% higher than that of the PA doped PES-PVP membrane at identical conditions. Such enhancement results from the facilitated proton transportation in the ordered mesoporous channels via the hydrogen bond between the -NH2 groups and H3PO4. The high water retention capability of silica materials with a hollow structure also contributes to the decrease of the activation of proton diffusion. Consequently, the results show promising potential of the NH2-HMS based PES-PVP composite membrane for the elevated temperature proton exchange membrane fuel cells.

Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.

Mesoporous Carbon as effective and sustainable catalyst for fine chemistry

It is well known that activated carbon with welldeveloped porosity is a promising material that have been used for several applications, from adsorption to catalysis. Research in this field has intensified in recent years, looking for new and improved characteristics and applications. Our research group, recently renamed Materials for Adsorption and Catalysis group (MAC) in LAQV-REQUIMTE, has also devoted many research work in this subject, and has developed several collaboration works with other national and international research groups in the field. Among our research group interests there is the study of catalytic properties of carbon materials and specifically mesoporous carbon. Some of the promising results were selected and summarized here, demonstrating that mesoporous carbon is an efficient and environmentally friendly heterogeneous catalyst.

Experimental studies on comparison of microwave curing and thermal curing of epoxy resins used for alternative mould materials

In this present work attempts have been made to study the glass transition temperature of alternative mould materials by using both microwave heating and conventional oven heating. In this present work three epoxy resins, namely R2512, R2515 and R2516, which are commonly used for making injection moulds have been used in combination with two hardeners H2403 and H2409. The magnetron microwave generator used in this research is operating at a frequency of 2.45 GHz with a hollow rectangular waveguide. In order to distinguish the effects between the microwave and conventional heating, a number of experiments were performed to test their mechanical properties such as tensile and flexural strengths. Additionally, differential scanning calorimeter technique was implemented to measure the glass transition temperature on both microwave and conventional heating. This study provided necessary evidences to establish that microwave heated mould materials resulted with higher glass transition temperature than the conventional heating. Finally, attempts were also made to study the microstructure of microwave-cured materials by using a scanning electron microscope in order to analyze the morphology of cured specimens.