Controlled synthesis of tunable nanoporous carbons for gas storage and supercapacitor application

A simple methodology has been developed for the synthesis of functional nanoporous carbon (NPC) materials using a metal-organic framework (IRMOF-3) that can act as a template for external carbon precursor (viz, sucrose) and also a self-sacrificing carbon source. The resultant graphitic NPC samples (abbreviated as NPC-0, NPC-150, NPC-300, NPC-500 and NPC-1000 based on sucrose loading) obtained through loading different amounts of sucrose exhibit tunable textural parameters. Among these, NPC-300 shows very high surface area (BET approximate to 3119 m(2)/g, Langmuir approximate to 4031 m(2)/g) with a large pore volume of 1.93 cm(3)/g. High degree of porosity coupled with polar surface functional groups, make NPC-300 remarkable candidate for the uptake of H-2 (2.54 wt% at 1 bar, and 5.1 wt% at 50 bar, 77 K) and CO2 (64 wt% at 1 bar, 195 K and 16.9 wt% at 30 bar, 298 K). As a working electrode in a supercapacitor cell, NPC-300 shows excellent reversible charge storage thus, demonstrating multifunctional usage of the carbon materials. (C) 2015 Elsevier Inc. All rights reserved.

Biocompatibility property of 100% strontium-substituted SiO2-Al2O3-P2O5-CaO-CaF2 glass ceramics over 26 weeks implantation in rabbit model: Histology and micro-Computed Tomography analysis

One of the desired properties for any new biomaterial composition is its long-term stability in a suitable animal model and such property cannot be appropriately assessed by performing short-term implantation studies. While hydroxyapatite (HA) or bioglass coated metallic biomaterials are being investigated for in vivo biocompatibility properties, such study is not extensively being pursued for bulk glass ceramics. In view of their inherent brittle nature, the implant stability as well as impact of long-term release of metallic ions on bone regeneration have been a major concern. In this perspective, the present article reports the results of the in vivo implantation experiments carried out using 100% strontium (Sr)-substituted glass ceramics with the nominal composition of 4.5 SiO2-3Al(2)O(3)-1.5P(2)O(5)-3SrO-2SrF(2) for 26 weeks in cylindrical bone defects in rabbit model. The combination of histological and micro-computed tomography analysis provided a qualitative and quantitative understanding of the bone regeneration around the glass ceramic implants in comparison to the highly bioactive HA bioglass implants (control). The sequential polychrome labeling of bone during in vivo osseointegration using three fluorochromes followed by fluorescence microscopy observation confirmed homogeneous bone formation around the test implants. The results of the present study unequivocally confirm the long-term implant stability as well as osteoconductive property of 100% Sr-substituted glass ceramics, which is comparable to that of a known bioactive implant, that is, HA-based bioglass. (c) 2014 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, 103B: 1168-1179, 2015.

Ag-doped hydroxyapatite as efficient adsorbent for removal of Congo red dye from aqueous solution: Synthesis, kinetic and equilibrium adsorption isotherm analysis

In the present study a versatile and efficient adsorbent with high adsorption capacity for adsorption of Congo red dye in aqueous solution at ambient temperature without adjusting any pH is presented over the Ag modified calcium hydroxyapatite (CaHAp). CaHAp and Ag-doped CaHAp materials were synthesized using facile aqueous precipitation method. The physico-chemical properties of the materials were determined by powder X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, Transmission electron microscopy (TEM), UV-Visible spectroscopy, N-2 physisorption and acidity was determined by n-butylamine titration and pyridine adsorption methods. XRD analysis confirmed all adsorbents exhibit hexagonal CaHAp structure with P6(3)/m space group. TEM analysis confirms the rod like morphology of the adsorbents and the average length of the rods were in the range of 40-45 nm. Pyridine adsorption results indicate increase in number of Lewis acid sites with Ag doping in CaHAp. Adsorption capacity of CaHAp was found increased with Ag content in the adsorbents. Ag (10): CaHAp adsorbent showed superior adsorption performance among all the adsorbents for various concentrations of Congo red (CR) dye in aqueous solutions. The amount of CR dye adsorbed on Ag (10): CaHAp was found to be 49.89-267.81 mg g(-1) for 50-300 ppm in aqueous solution. A good correlation between adsorption capacity and acidity of the adsorbents was observed. The adsorption kinetic data of adsorbents fitted well with pseudo second-order kinetic model with correlation coefficients ranged from 0.998 to 0.999. The equilibrium adsorption data was found to best fit to the Langmuir adsorption isotherm model. (C) 2015 Elsevier Inc. All rights reserved.

Argilas pilarizadas: uma tecnologia limpa na reação de isomerização do óxido de estireno

Neste trabalho, fracionou-se e tratou-se a argila Brasgel. Esta argila foi pilarizada em vários estágios de facionamento e/ou tratamento com 5 meq de Al / g de argila: (i) Al-PILC, a argila passou por todos os estágios de fracionamento e tratamento (ARG), (ii) Al-PILCFe, a argila não passou pela etapa de retirada de Fe livre (ARGFe) e (iii) Al-PILCFe/silte, a argila não passou pelas etapas de retirada de silte e Fe livre (ARGFE/silte). Em análise por DRX observou-se que as Al-PILCs apresentaram uma distância basal maior que as argilas de partida. A análise textural indicou que as argilas Al-PILCs e ARGs são materiais mesoporosos, com poros do tipo fenda estreita e do tipo fenda, respectivamente. Além disso, as Al-PILCs apresentaram área superficial razoavelmente maior que as ARGs correspondentes. Outras análises feitas nas argilas foram: teor de Si, Fe e Al; CTC; FTIR; TGA e TGD. As argilas Brasgel pilarizadas foram usadas como catalisador na reação de isomerização do óxido de estireno em hexano sob refluxo. A reação foi seletiva na formação de fenilacetaldeído. As argilas Al-PILCFe e Al-PILCFe/silte apresentaram melhor desempenho catalítico (100 % de conversão em 20 min de reação). Assim, as argilas Brasgel pilarizadas se apresentaram como uma Tecnologia Limpa na reação de isomerização do óxido de estireno ao fenilacetaldeído. Palavras-chave: Desenvolvimento Sustentável. Tecnologia Limpa. Química Verde. Argilas Pilarizadas. Isomerização de Epóxidos.

Sínteses e caracterizações de TiO2 puro, dopado e co-dopado pelo método sol-gel e suas atividades fotocatalíticas

Nanopartículas de dióxido de titânio vêm sendo extensamente empregadas como fotocatalisa-dores, já que são eficientes na degradação de diversos poluentes. Visando a obtenção de titâ-nias com diferentes propriedades, realizaram-se sínteses através do método sol-gel, a partir da hidrólise do tetraisopropóxido de titânio (IV) TIPP e seguindo-se os princípios da Química Verde, dispensando-se temperaturas e pressões elevadas. Foi estudada a influência de dife-rentes parâmetros, como: pH, solvente, razão molar álcool/TIPP e ordem de adição dos rea-gentes. Foram obtidas titânias na forma cristalina anatásio, nanométricas, com elevadas áreas superficiais específicas e predominantemente mesoporosas. Visando-se obter titânias com melhores propriedades óticas, isto é, capazes de sofrer a fotoativação pela luz visível, foram sintetizadas titânias dopadas e co-dopadas com os metais ferro e rutênio (Fe3+ e Ru3+) e o a-metal N (N3). A síntese desses materiais também foi realizada através do método sol-gel, sendo a dopagem realizada durante o processo de hidrólise. As amostras foram caracterizadas na forma de pó por difração de raios-X, adsorção-dessorção de nitrogênio, microscopia ele-trônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. A titânia pura a-presentou como única fase cristalina o anatásio, quando calcinada até 400 C, com a presença de traços de brookita. A partir de 600 C, observou-se o aparecimento da fase rutilo, que em 900C foi a única fase encontrada na titânia. A dopagem com Ru3+dificultou a transformação de fase anatásio para rutilo, ao contrário da dopagem com Fe3+. O processo de co-dopagem acelerou a formação de rutilo, que se apresentou como única fase nas amostras calcinadas a 600 C. As titânias dopadas apresentaram uma leve diminuição na energia de bandgap, sendo os dopantes capazes de deslocar a absorção para o vermelho. Foram realizados testes fotoca-talíticos visando à degradação do azocorante Reactive Yellow 145 com lâmpada de vapor de mercúrio de 125 W a fim de se comparar as atividades fotocatalíticas das titânias puras, dopa-das e co-dopadas, calcinadas a 300C. De todas as titânias sintetizadas, a titânia pura foi a que melhor degradou o corante, tendo um desempenho semelhante ao do TiO2 P25, da Evo-nik

Caracterização e desenvolvimento de argilas para aplicação em nanocompósitos poliméricos

O Brasil é produtor de argilas e conta com grandes reservas deste recurso natural. Porém, grande parte da sua produção é comercializada seca e moída. O desenvolvimento de argilas para seu uso como reforço em nanocompósitos poliméricos constitui uma opção para os produtores desta matéria prima que teriam assim um produto com maior valor agregado. Este trabalho visa avaliar o potencial uso como nanocarga de duas argilas nacionais provenientes da Bacia de Taubaté, São Paulo, denominadas ALIGRA e SANTA FÉ. As frações de tamanho de partícula médio menor de 0,02 mm, obtidas por peneiramento á úmido da argila homogeneizada e seca, foram utilizadas no desenvolvimento do trabalho experimental. Os estudos de caracterização, envolvendo análise granulométrica, química, mineralógica, morfológica, térmica e textural, revelaram características muito semelhantes em ambas às argilas. Fração argila, maior de 70% em massa. Composição química conforme a definição química de uma argila e os teores de seus componentes mostram valores intermédios entre as apresentadas pelas bentonitas e argila caulinítica usadas com fins de comparação. Ressaltamse boas propriedades adsorventes. Área superficial específica BET ao redor de 120 m2/g, valor maior do que o apresentado por muitas bentonitas naturais (74,5 m2/g). Predominantemente mesoporosas, com poros, maiormente em forma de fenda, característicos da estrutura em camadas das argilas. Baixa capacidade de troca catiônica, 12 meq/100g. Difratogramas de raios-X revelaram a predominância do estratificado ilita/esmectita, caulinita e quartzo na argila ALIGRA, e de ilita, caulinita e quartzo na argila SANTA FÉ. Prosseguiu-se com a argila ALIGRA a preparação da argila organofílica. A argila organofílica foi obtida por troca catiônica com o sal quaternário de amônio: cloro cetril trimetil amônio, depois de homogeneizada em sódio com cloreto de sódio. Análises FTIR e TGA indicaram que houve inserção dos cátions orgânicos. Testes preliminares foram feitas, preparando misturas das argilas com matriz de polipropileno e usando como agente compatibilizante polipropileno enxertado com anidrido maleico. Resultados de ensaios de tração reportam algumas melhoras nas propriedades testadas com as composições preparadas com as argilas purificadas. Com as composições com argilas organofílicas somente foi melhorado o alongamento na rotura. Estudos ais aprofundados são recomendados.

Dependence of dye regeneration and charge collection on the pore-filling fraction in solid-state dye-sensitized solar cells

Solid-state dye-sensitized solar cells rely on effective infiltration of a solid-state hole-transporting material into the pores of a nanoporous TiO 2 network to allow for dye regeneration and hole extraction. Using microsecond transient absorption spectroscopy and femtosecond photoluminescence upconversion spectroscopy, the hole-transfer yield from the dye to the hole-transporting material 2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p- methoxyphenylamine)-9,9'-spirobifluorene (spiro-OMeTAD) is shown to rise rapidly with higher pore-filling fractions as the dye-coated pore surface is increasingly covered with hole-transporting material. Once a pore-filling fraction of ≈30% is reached, further increases do not significantly change the hole-transfer yield. Using simple models of infiltration of spiro-OMeTAD into the TiO2 porous network, it is shown that this pore-filling fraction is less than the amount required to cover the dye surface with at least a single layer of hole-transporting material, suggesting that charge diffusion through the dye monolayer network precedes transfer to the hole-transporting material. Comparison of these results with device parameters shows that improvements of the power-conversion efficiency beyond ≈30% pore filling are not caused by a higher hole-transfer yield, but by a higher charge-collection efficiency, which is found to occur in steps. The observed sharp onsets in photocurrent and power-conversion efficiencies with increasing pore-filling fraction correlate well with percolation theory, predicting the points of cohesive pathway formation in successive spiro-OMeTAD layers adhered to the pore walls. From percolation theory it is predicted that, for standard mesoporous TiO2 with 20 nm pore size, the photocurrent should show no further improvement beyond an ≈83% pore-filling fraction. Solid-state dye-sensitized solar cells capable of complete hole transfer with pore-filling fractions as low as ∼30% are demonstrated. Improvements of device efficiencies beyond ∼30% are explained by a stepwise increase in charge-collection efficiency in agreement with percolation theory. Furthermore, it is predicted that, for a 20 nm pore size, the photocurrent reaches a maximum at ∼83% pore-filling fraction. © 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Effect of Ru addition to CO/SiO2/HZSM-5 catalysts on Fischer-Tropsch synthesis of gasoline-range hydrocarbons

Microporous HZSM-5 zeolite and mesoporous SiO2 supported Ru-Co catalysts of various Ru adding amounts were prepared and evaluated for Fischer-Tropsch synthesis (FTS) of gasoline-range hydrocarbons (C-5-C-12). The tailor-made Ru-Co/SiO2/HZSM-5 catalysts possessed both micro- and mesopores, which accelerated hydrocracking/hydroisomerization of long-chain products and provided quick mass transfer channels respectively during FTS. In the same time. Ru increased Cor reduction degree by hydrogen spillover, thus CO conversion of 62.8% and gasoline-range hydrocarbon selectivity of 47%, including more than 14% isoparaffins, were achieved simultaneously when Ru content was optimized at 1 wt% in Ru-Co/SiO2/HZSM-5 catalyst.

稀土配合物掺杂的中孔杂化发光材料的制备及其表征

稀土配合物由于具有优良的窄带发光性能和较长的荧光寿命，因而在光电学领域比如激光材料或者荧光标记上引起了广泛的兴趣和应用。吸附在固体表面的稀土配合物的发光性质得到了广泛的研究。MCM-48中孔材料是M41S家族中的一种，具有直径20-30A三维结构的中孔孔道，比MCM-41的一维结构孔道更有优势，比如它可以最大可能的避免客体分子的堆积现象。因此本论文中我们研究了将稀土（Eu3+）β-二酮（DBM＝dibenzoylmethane）配合物掺杂到纯硅MCM-48以及三种有机基团嫁接的有机－无机杂化MCM-48的孔道中去，得到了各种不同的杂化中孔发光材料。首先烧结后的MCM-48被装载稀土Eu（OBM）3'2H2O配合物之后。XRD结果说明稀土配合物被组装到了MCM-48中，其有序结构因为稀土配合物的进入而受到一定的影响，但是样品仍保持了MCM-48的立方相结构。分别通过吸收光谱和热失重的方法计算了掺杂后的发光MCM-48样品进行洗涤后留在MCM一48中配合物的量。固体漫反射光谱在紫外区有一个OBM配体的Sn基态能级（π）到S1激发态能级份＊）的电子跃迁形成的吸收宽带。可见区还观察到E护”离子的4f-4畴征吸收线。与稀土配合物中的OBM配体相比，掺杂MCM-48样品的Sn-S1吸收带均发生蓝移，反映了S1能级向高能方向移动。然后采用了室温两步合成法合成MCM-48，模板剂的去除采用了溶剂萃取法。最佳掺杂浓度为6.98×10-3 mol/l；同时最佳掺杂时间为24小时。在同样的掺杂条件下，稀土配合物在基质中的掺杂量MCM-48＞MCM-41＞＞SiO2。萃取之后的MCM-48在外形上近乎于球形，粒子的直径在0.7-1.2μm之间。粒子显现出多孔的海绵状表面形态，并且具有晶体结构外形，呈菱形十二面体被削去顶端立方体的结构。而且在粒子的表面观察到了类似螺旋结构的孔道，我们认为这是MCM一48所特有的双螺旋型三维孔道结构，这是到目前为止首次报道利用扫描电镜观察到中孔分子筛的孔道结构。荧光光谱结果观察到了激发峰的最大值由于纳米粒子效应出现的蓝移现象。不同基质中的发射系数QZ和04比较可知配合物在三种基质SiO2、MCM-41和MCM-48中环境的极性相差不大。掺杂到中孔MCM-48材料中的稀土配合物的热稳定性比在MCM-41中强，这是由于MCM-48的三维孔道对配合物的保护作用。室温条件下合成的MCM-48分子筛利用后合成嫁接的方法[post-synthesis grajng（PSG）]进行表面修饰，修饰剂选用了带有功能性乙烯基的VTES，链长最短的MTES以及带有氨基的长链NTSED。稀土Eu（DBM）3'2H2O配合物被组装到杂化中孔分子筛材料中。红外光谱与2951核磁共振光谱表明MCM-48的表面被成功的接枝上了有机M下任S，盯任s，N丁s任D基团。与MCM-48相比，MCM-48-R的表面积、孔体积和孔径的减少有以下NTSED＞VTES＞MTES的顺序。这也许是修饰的有机基团不同的链的长度不同的原因。稀土配合物在这三种有机一无机杂化基质环境的极性比纯硅MCM-48要增大。同时配合物在三种基质的中的QZ的值及发光效率的顺序为：MCM-48-MTES＜MCM-48-VTES＜MCM-48-NTSED，说明MCM-48经过三种有机硅氧烷修饰之后孔道极性也遵循同样的顺序，可以认为这是由于三种有机基团的链长的不同造成的，链长越长则修饰之后孔道极性增大的就越多。最后通过溶胶一凝胶过程利用提拉法（Dip-coating method）制备了具有中孔结构的SiO2-CTAB-Tb（acac）3透明发光薄膜（Mesostructed Iuminescence thin film，略为MLTF），稀土配合物利用原位合成（In-situ）的办法掺入到透明薄膜中。对薄膜进行热处理过程表明薄膜中的稀土配合物在50℃的时候开始形成。XRO结果表明稀土离子及有机配体的掺入对薄膜中孔相的结构没有太大的影响，荧光薄膜仍保持层状结构。红外光谱结果说明制备的中孔薄膜是由CTAB和硅氧烷聚合物组成的复合薄膜。荧光薄膜的发射光谱给出了Th3+离子的特征发射峰，荧光薄膜中有机配体与丁b离子之间发生了能量传递现象。因为在热处理过程中有机配体逐渐代替了开始与Tb离子配位的OH基团，使得二者间的能量传递更加有效，从而导致了荧光的增强。

介孔材料的合成、性能以及应用

自从1992年美孚公司成功地研究开发出介孔材料M41S后，由于其具有不同寻常的结构特点-比较均一的孔径（2-50nm）而且连续可调、较高的比表面积、较大的孔体积、孔的长程有序性以及较好的热稳定性等，具有巨大的潜在应用价值，立即引起了全世界的关注。目前，世界各国的研究主要集中在研究介孔材料的特性、形成机理、介孔材料形貌、结构和孔径的控制、新一代介孔材料的研究开发、介孔材料的改性以及介孔材料的应用等方面。本论文主要在介孔材料的合成、性能以及应用方面开展了研究。选用头尾都是憎水的三嵌段共聚物为模板制备出具有三维无序虫状孔道的介孔材料和以有孔氧化铝膜为模板制备了形态可控的介孔材料，即具有介孔结构高有序纳米管。采用一步法合成了介孔Ag／silica和Y2O3：Eu／silica材料，采用基底受限法制备了银和Y2O3：Eu纳米粒子，同时研究了Ag／silic。作为催化剂时催化性能。（1）在酸性条件下，利用头尾都是憎水的三嵌段共聚物SBS为模板、TEOS为硅源，分别选用丁酮和甲苯作选择性溶剂，通过微乳技术制备出具有三维无序虫状孔道的介孔硅材料。我们通过在SBS胶束溶液中加入TEOS／水的油水混合乳液使SBS胶束与TEOS／水混合乳液之间形成一个界面，从而使TEOS这个界面上完全水解而且生成的小分子硅齐聚物包附在SBS胶束的外表面。经过加热则使TEOS凝聚同时形成具有介孔结构的SBS／硅材料。最后，通过锻烧以移除SBS，从而得到介孔硅材料。在选用甲苯作溶剂，研究发现随着SBS用量的增加或形成胶束温度的升高比表面积、孔体积和孔径等都相应减小。因此，这两个参数可以方便地调节介孔材料的孔径、表面积和孔体积等，进而更好地控制介孔材料的性能。所制备介孔材料的壁厚与SBS用量和形成胶束温度无关，且均超过IOnm，因而材料具有较好的热稳定性，这有利于其进一步在催化剂、吸附和分离等领域应用。（2）以有孔的氧化铝膜为模板制备了具有介孔结构高有序纳米管，即在加热条件下将P123一TEOS薄膜通过毛细力引入有孔的氧化铝膜孔内，同时根据优先润湿机理使P123一TEOS组分润湿氧化铝孔的内壁并同时伴随嵌段共聚物胶束的重排、TEOS组分的凝聚收缩，随后通过烧结手段除去嵌段共聚物、通过溶解手段除去氧化铝模板，这样便在硅基底上得到了形态可控的介孔材料即有序排列的具有介孔结构的纳米管。在一定时间范围内，退火时间对纳米管的形成和生长高度有一定的影响。纳米管垂直于硅基底且纳米管套内的介孔以六方形式排列在整个纳米管套同时介孔孔道相互平行，所制备的纳米管能保持受限在氧化铝模板时的尺寸而且稳定地粘附在硅基底上。（3）在酸性条件下，采用一步法即在模板剂（P123）形成胶束之后，加入硝酸银或氧化铺和氧化忆混合物同P123胶束形成新的复合体，随后加入硅源（TEOS）以包附在复合体的外表面，从而形成具有介孔相的复合物，通过热处理我们分别制备了高有序的具有二维六方结构的介孔Ag／silica和Y203：Eu／silica材料，其中金属银或YZO3：Eu纳米粒子分散在有序的介孔孔道内。二者的比表面积、孔体积和孔径分别为786m2／g、1．22cm3／g、6．Znm和791m2／g、0．95cm3／g、3．snm。另外，我们采用基底受限法，利用旋涂法分别使介孔Ag／silica和YZO3：E记silica材料分散在硅基底上，通过溶解法除去硅墙后便得到了没有聚集的且具有狭窄粒径分布的金属银（2．5-5．snm）和姚03：Eu（1．5-3．onm）纳米粒子。原子力显微镜（AFM）证实所得到的纳米粒子呈现良好的分散状态，具有狭窄的粒径分布而且粒子尺寸都小于其介孔材料孔径。（4）分别用一步法制备的介孔Ag／SBA－－15材料和金属银作为甲醇氧化制备甲醛反应的催化剂，利用甲醇转化率表示催化剂活性、甲醛和二氧化碳产率表示催化剂选择性来研究二者催化性能。由于具有高的比表面积（786扩／g）、较大的孔体积（1．22cm3／g）、较大的孔径（6．2nm）、狭窄的孔径分布和有序的介孔孔洞等特性，在反应温度473K-723K范围内，同本体银作催化剂相比尽管银仅占体系总重量的0．94wt％，介孔Ag／silic。材料却显示出极高的催化活性和催化选择性。