Synthesis of Silica Aerogels with Single-Site Iron for Heterogeneous Catalysis

Abstract

Jern ble inkorporert i silika aerogeler laget med "waterglass" silika-forløper. Co-forløper (CP) syntesemetoden ble brukt i kombinasjon med en mer økonomisk tørking ved lavere temperatur og trykk (APD). En ny metode med inert nitrogen-atmosfære ble også testet ut. Ulike jernmengder og fire ulike jernforløpere ble brukt i forsøket på å introdusere jernet i såkalte "single-sites". Aerogelprøvene ble karakterisert med røntgendiffraksjon (XRD), nitrogen-sorpsjon (BET og BJH), induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS), og ultrafiolett-synlig (UV-vis) spektroskopi.

Lavt jerninnhold (≤ 2.5 wt% Fe) virket nødvendig for å inkorporere jernet kun som "single-sites" i silika-nettverket, og mulig tetraedrisk koordinasjon av jernet ble antydet av absorpsjonspektrene. Jern diklorid virket mindre egnet enn de andre jernforløperene grunnet økt dannelse av jernoksid i prøvene. XRD, BET og BJH indikerte at dopingen med jern forårsaket endringer i porøsiteten sammenlignet med udopet silikagel, vist av økt porøsitet for moderate jernmengder (≤ 5 wt% Fe) og redusert porøsitet for større mengder (5-14 wt% Fe). Den termiske stabiliteten til jerndopede aerogeler var ubestemt, ettersom varmebehandling ved 450 °C muligens favoriserte dannelse og krystallisering av jernoksidpartikler.

Iron was incorporated into silica aerogels made using a waterglass precursor and applying the co-precursor (CP) approach in combination with the ambient pressure drying (APD) method. A novel approach applying an inert nitrogen atmosphere was also used. Varied iron content and four different iron precursors were used in the attempt to incorporate the guest metal into so-called single-sites. The aerogel samples were characterized by X-ray powder diffraction (XRD), nitrogen physisorption (BET and BJH), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy.

Low iron loadings (≤ 2.5 wt% Fe) appeared necessary to incorporate iron only as single-sites, and tetrahedral coordination of the iron sites were likely, as inferred from absorption spectra. Moreover, ferrous chloride appeared unsuitable for this synthesis due to increased oxide formation compared to the other three precursors. XRD and nitrogen physisorption indicated that introduction of iron into the aerogel led to changes in the porosity compared with the plain silica gel, shown by increased porosity for moderate loadings (≤ 5 wt% Fe) and decreased porosity for larger loadings (5-14 wt% Fe). The thermal stability of the Fe-modified gels was inconclusive, as annealing at 450 °C possibly favored the formation and crystallization of iron oxide particles.