Microwave assisted synthesis of MCM-41 type mesoporous materials and diffusion of organic vapors in porous media: mcm-41 and carbon nanotubes

Abstract

Bu çalışmada, yeni bir sentez tekniği kullanılarak saf ve metal eklentili MCM-41 tipi mezogözenekli moleküler eleklerin çeşitli güç ve zaman kombinasyonlarında çalıştırılan ev tipi mikrodalga içerisinde mikrodalga radyasyonu altında sentezlenmesi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Yüksek kalite ve ısıl kararlılıktaki MCM-41 hekzagonal mezogözenekli elekler, mikrodalga destekli hidrotermal otoklav ısıtması yöntemiyle spesifik yüzey alanı 1438 m2/g ve gözenek çapı 3.49 nm olarak 30 dakika ve 120 Watt'ta elde edilmiştir.MCM-41 mezogözenekli moleküler eleklerin yapısına metal yüklenmesinin etkisi geçiş metalleri olan bakır, nikel, kobalt ve demir kullanılarak detaylı olarak incelenmiştir. Emdirme ve mikrodalgayla direkt sentez yöntemleri kullanılarak MCM-41 tipi katalitik malzemeler üretilmiş ve bu malzemelerin fiziksel ve yapısal özellikleri incelenmiştir.Metallerin MCM-41 yapısına katılımı 25, 50, 75 ve 100 olarak belirlenen farklı Si/Metal oranları kullanılarak incelenmiştir. Hekzagonal mezogözenekli yapısının oluşması X-ışını difraksiyonu (XRD), N2 fiziksel yerleşmesi ve Fourier-transform kızılötesi spektroskopisi ile, metal dağılımlar energy dağılım spektroskopisi (EDS) ve geçirimli electron mikroskobu (TEM) ile tasdik edilmiştir. Malzemelerin ısıl kararlılık özellikleri ısıl gravimetrik analizör (TGA) ile karakterize edilmiştir.Uçucu organik kimyasalların saf MCM-41, metal eklentili MCM-41 ve karbon nanotüplerde (KNT) difüzyonu incelenmiştir. Alkollerin (metanol, etanol, n-propanol, n-butanol) ve aromatiklerin çözücülerin (benzen, tolüen, etilbenzen, propilbenzen, o-ksilen, m-ksilen, p-ksilen) mezogözenekli ortamda difüzlenme katsayısı, difüzyon mekanizması ve aktivasyon enerjileri 26-32 °C sıcaklık aralığında makroskopik yöntem kullanılarak ölçülmüştür.Hem MCM-41'de hem de KNT'lerde alkollerin ve aromatiklerin molekül ağırlıkları arttıkça difüzyon katsayısının azaldığı, aktivasyon enerjisi ve dengeye ulaşmak için gerekli olan zamanın arttığı gözlenmiştir. Alkollerin ve aromatiklerin MCM-41 ve KNT'lerdeki alkol ve aromatiklerin difüzyon mekanizması düzensiz difüzyondur. Difüzyon hız sabitleri sıcaklık arttıkça yükselmektedir. Uçucu moleküllerin KNT'lerdeki difüzyon katsayıları MCM-41'inkilere oranla en az 10 kat yüksektir.

In this study a novel synthesis technique of MCM-41 has been successfully applied for the production of pure and metal incorporated MCM-41 type mesoporous molecular sieves under microwave radiation by using a household microwave oven operated at several different combinations of power and time. High quality MCM-41 hexagonal mesoporous materials of good thermal stability were obtained in 30 minutes at 120 Watt by microwave assisted hydrothermal autoclave heating with specific surface area value of 1438 m2/g and average pore diameter of 3.49 nm.The effect of metal incorporation into the MCM-41 mesoporous molecular sieves was studied in detail with transition metals such as copper, nickel, cobalt and iron. Impregnation and microwave assisted direct synthesis techniques were used in the production of MCM-41 type catalytic materials and the physical and structural properties of these were investigated.The incorporation of metal into MCM-41 structure was investigated using different Si/Metal mol ratios as 25, 50, 75 and 100. Development of the hexagonal mesoporous structure was confirmed by X-ray diffraction (XRD) and N2 physisorption and Fourier transform infrared (FT-IR), while the metal dispersion were characterized by energy dispersion spectroscopy (EDS) and transmission electron microscopy (TEM). Thermal stabilities of the samples were characterized by thermal gravimetric analyzer (TGA).Diffusion of organic volatile chemicals in pure MCM-41, metal incorporated MCM-41 (Si/Metal mol ratio: 25) and carbon nanotubes were investigated. Diffusion coefficients, mode of transport and activation energies of diffusion of alcohols (methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol) and aromatic solvents (benzene, toluene, ethylbenzene, propylbenzene, o-xylene, m-xylene, p-xylene) into the porous media were measured in 26-32 °C temperature range with a macroscopic measurement technique.As the molecular weight of the alcohols and aromatics increased, diffusion coefficients into MCM-41 and CNTs decreased, activation energy for diffusion increased, and the time necessary to reach equilibrium increased. The diffusion of alcohols and aromatics into MCM-41 and CNTs obeyed the anomalous transport mechanism. Diffusion rate constants slightly increased with increasing temperature. The diffusion coefficients of volatile molecules into the CNTs were at least 10 times higher than that of diffusion coefficients into MCM-41.