Advanced

Mesoporous Silica Formed with Triblock Copolymers

Flodström, Katarina LU (2004)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

En amfifil molekyl har två delar; en del som dras till olja och en del som dras till vatten. Dessa två delar benämns vanligen huvudgrupp respektive svans. Amfifila molekyler kallas ofta tensider (på engelska surfactants), och är de aktiva beståndsdelarna i bland annat tvättmedel och hårschampo. Amfifila molekyler i vattenlösning formar sig så att vattendelarna dras till varandra och oljedelarna till varandra. Det gör att en rad fascinerande strukturer kan bildas. Till exempel kan molekylerna forma sfäriska aggregat, så kallade miceller. Vid högre koncentrationer kan mer avancerade strukturer bildas, med till exempel hexagonal eller kubisk tätpackning. Kemi som involverar tensider kallas ytkemi,... (More)
Popular Abstract in Swedish

En amfifil molekyl har två delar; en del som dras till olja och en del som dras till vatten. Dessa två delar benämns vanligen huvudgrupp respektive svans. Amfifila molekyler kallas ofta tensider (på engelska surfactants), och är de aktiva beståndsdelarna i bland annat tvättmedel och hårschampo. Amfifila molekyler i vattenlösning formar sig så att vattendelarna dras till varandra och oljedelarna till varandra. Det gör att en rad fascinerande strukturer kan bildas. Till exempel kan molekylerna forma sfäriska aggregat, så kallade miceller. Vid högre koncentrationer kan mer avancerade strukturer bildas, med till exempel hexagonal eller kubisk tätpackning. Kemi som involverar tensider kallas ytkemi, på grund av tensidernas förmåga att dras till ytor där de reducerar ytspänningen. Detta doktorandprojekt handlar om att kombinera yt- och kolloidkemi med oorganisk kemi. Med hjälp av tensidsystem kan man forma kiseldioxid och ge den en struktur som annars fås i rena tensid/vattensystem. Man kan säga att tensiden fungerar som en slags mall. I detta projekt används amfifila molekyler som inte brukar kallas tensider, utan istället benämns amfifila polymerer. Polymerer är långa molekyler, uppbyggda av små upprepande enheter. En polymer kan liknas vid ett pärlhalsband där de små enheterna sitter ihop och bildar en lång kedja. En amfifil polymer har, precis som en tensid, en del som tycker om vatten och en del som föredrar olja. Den amfifila polymeren och kiseldioxiden bildar tillsammans ett välordnat kompositmaterial. Bränner man sedan bort tensiden bildas ett poröst material, med ordnade porer där tensiden tidigare fanns. Diametern på dessa porer är ca 5 nm. Den storleken gör att materialen tillhör de så kallade mesoporösa materialen, vilket innebär porösa material med porer i storleksordningen 2-50 nm. Porösa material har flera tillämpningar inom kemisk industri. Mängder av små porer gör att materialet för en enormt stor yta. Det är av intresse inom till exempel katalys, där man vill ha en stor reaktionsyta för det ämne som passerar katalysatorn. Dessa porösa material kan också fungera som en slags sil i så kallade separationsprocesser, där man kan sålla bland molekyler så att små molekyler kan passera genom hålen medan stora stoppas upp. En stor del av arbetet som presenteras i denna avhandling handlar om syntes av mesoporösa kiseldioxidstrukturer. Exempel på tekniker som har anänts för att analysera produkten är röntgendiffraktion och elektronmikroskopi. Olika syntesparametrars påverkan på slutprodukten har undersökts. Till exempel har variation av de amfifila polymerernas kedjelängd undersökts, samt vilken effekt en ändring av syntestemperaturen har. Även effekten vid tillsats av salt har studerats. På detta sätt har material med olika strukturer (t ex hexagonal och kubisk), pordiametrar och väggtjocklekar syntetiserats. Detta projekt har också handlat om att få en djupare förståelse om bildningsmekanismen, för att förstå vad som driver reaktionerna som leder till den ordnade slutprodukten. Olika tekniker har använts för att följa hur materialet utvecklas med tiden, från en micellär lösning till kiseldioxidpartiklar med en välordnad struktur. Syntes av material med hexagonal samt två olika kubiska strukturer har studerats i detalj. Genom detta arbete har detaljerad information om syntesförloppet erhållits. (Less)
Abstract
The formation of highly ordered mesoporous silica materials, using PEO-PPO-PEO amphiphilic triblock copolymers (so-called Pluronics) as structure directing agents, has been studied. The materials are formed through the addition of a silica source to a polymer solution of low concentration (2.5 wt ) under acidic conditions. The products have BET surface areas of approximately 800 m2/g. The unit cell parameter is around 100 for hexagonally structured materials, and in the range of 150-250 for cubic materials. Small angle X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) have been the main characterisation techniques.



Pluronics with different lengths of the PEO- and PPO-blocks were used in the syntheses. It... (More)
The formation of highly ordered mesoporous silica materials, using PEO-PPO-PEO amphiphilic triblock copolymers (so-called Pluronics) as structure directing agents, has been studied. The materials are formed through the addition of a silica source to a polymer solution of low concentration (2.5 wt ) under acidic conditions. The products have BET surface areas of approximately 800 m2/g. The unit cell parameter is around 100 for hexagonally structured materials, and in the range of 150-250 for cubic materials. Small angle X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) have been the main characterisation techniques.



Pluronics with different lengths of the PEO- and PPO-blocks were used in the syntheses. It was shown that different block lengths influence the structure formed, as well as the pore size and wall thickness of the materials. Materials with hexagonal (p6mm), micellar cubic (Im3m) and lamellar structures were obtained using Pluronics with different PEO/PPO compositions. Temperature has also shown to be an important synthesis parameter, as the conformation of the polymers, as well as the silica polymerisation, is highly temperature dependent. Further, the effect of the addition of salt to the synthesis mixture has been studied. Through the addition of sodium iodide, a new large-pore bicontinuous cubic silica (Ia3d) was synthesised.



The mechanism of formation for the materials has been studied in detail. In situ synchrotron SAXS, in situ time-resolved 1H NMR and time-resolved TEM have been used to follow the time evolution of the syntheses. The different structures are formed via different mechanisms, illustrating the importance of understanding the mechanism in order to influence and control the synthesis to obtain the desired product. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof. Anderson, Michael W., UMIST, UK
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Fysikalisk kemi, 1H NMR, TEM, SAXS, in situ, mechanism of formation, cubic Ia3d, cubic Im3m, Mesoporous, synthesis, Pluronic, SBA-16, SBA-15, hexagonal p6mm, synchrotron SAXS, Physical chemistry, amphiphilic polymers, silica
pages
114 pages
publisher
Department of Physical Chemistry, Lund University
defense location
Lecture hall B, Centre for Chemistry and Chemical Engineering
defense date
2004-04-02 10:15
external identifiers
  • Scopus:9144251731
ISBN
91-7422-049-7
language
English
LU publication?
yes
id
1064aa35-f67b-44e3-af8c-515b29a61d91 (old id 466791)
date added to LUP
2007-10-13 13:34:45
date last changed
2016-10-13 04:44:55
@misc{1064aa35-f67b-44e3-af8c-515b29a61d91,
  abstract     = {The formation of highly ordered mesoporous silica materials, using PEO-PPO-PEO amphiphilic triblock copolymers (so-called Pluronics) as structure directing agents, has been studied. The materials are formed through the addition of a silica source to a polymer solution of low concentration (2.5 wt ) under acidic conditions. The products have BET surface areas of approximately 800 m2/g. The unit cell parameter is around 100 for hexagonally structured materials, and in the range of 150-250 for cubic materials. Small angle X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) have been the main characterisation techniques.<br/><br>
<br/><br>
Pluronics with different lengths of the PEO- and PPO-blocks were used in the syntheses. It was shown that different block lengths influence the structure formed, as well as the pore size and wall thickness of the materials. Materials with hexagonal (p6mm), micellar cubic (Im3m) and lamellar structures were obtained using Pluronics with different PEO/PPO compositions. Temperature has also shown to be an important synthesis parameter, as the conformation of the polymers, as well as the silica polymerisation, is highly temperature dependent. Further, the effect of the addition of salt to the synthesis mixture has been studied. Through the addition of sodium iodide, a new large-pore bicontinuous cubic silica (Ia3d) was synthesised.<br/><br>
<br/><br>
The mechanism of formation for the materials has been studied in detail. In situ synchrotron SAXS, in situ time-resolved 1H NMR and time-resolved TEM have been used to follow the time evolution of the syntheses. The different structures are formed via different mechanisms, illustrating the importance of understanding the mechanism in order to influence and control the synthesis to obtain the desired product.},
  author       = {Flodström, Katarina},
  isbn         = {91-7422-049-7},
  keyword      = {Fysikalisk kemi,1H NMR,TEM,SAXS,in situ,mechanism of formation,cubic Ia3d,cubic Im3m,Mesoporous,synthesis,Pluronic,SBA-16,SBA-15,hexagonal p6mm,synchrotron SAXS,Physical chemistry,amphiphilic polymers,silica},
  language     = {eng},
  pages        = {114},
  publisher    = {ARRAY(0x8a48500)},
  title        = {Mesoporous Silica Formed with Triblock Copolymers},
  year         = {2004},
}