Aplikace analytických technik při studiu vlivu parametrů přípravy na reaktivitu, termické a adsorpční vlastnosti organických kryo- a xerogelů

Mgr. Eva KINNERTOVÁ

Doctoral thesis

Application of analytical techniques for study of influence of preparation parameters on reactivity, thermal and adsorption properties of organic cryo- and xerogels

Anotácia:

Příprava a vlastnosti organických a uhlíkatých resorcinol-formaldehydových xerogelů byly zkoumány pomocí různých analytických technik. Příprava studovaných materiálů byla založena na sol-gel polykondenzaci resorcinolu a formaldehydu ve vodných roztocích. Průběh a kinetika polykondenzace resorcinolu a formaldehydu s odlišným molárním poměrem resorcinolu a katalyzátoru (R/C) a hmotnostním obsahem reaktantů byly zkoumány pomocí několika metod. Low-field 1H NMR relaxometrie a diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) byly shledány jako vhodné techniky ke studiu kinetiky této reakce. Polykondenzace je dvoukrokový reakční proces. První reakční krok je určován rychlostí chemické reakce a mechanismus odpovídá kinetice druhého řádu. Druhý reakční krok je řízen difúzí a mechanismus nejlépe popisuje R3 mechanismus (reakce na povrchu sférické částice). Jedním z nejdůležitějších parametrů ovlivňujících vlastnosti připravených xerogelů je molární poměr R/C. Byl zkoumán vliv různé koncentrace katalyzátoru (R/C = 1000, 2000, 3000) na mechanické, termické a termomechanické vlastnosti organických xerogelů a na povrchové, adsorpční vlastnosti a oxidační reaktivitu uhlíkatých xerogelů. Rostoucí poměr R/C (klesající koncentrace katalyzátoru) vede k nárůstu velikosti částic materiálu, což ovlivňuje mechanickou pevnost, zbytkovou vlhkost a smrštění xerogelů během zahřívání. Vyšší obsah katalyzátoru (R/C = 1000) vede k rozvoji mezoporozity. Porozita jako jedna z nejdůležitějších vlastností nanostrukturních uhlíkatých materiálů byla studována pomocí třech odlišných technik. Mezoporézní uhlíkaté materiály připravené metodou soft-templating byly charakterizovány pomocí termoporometrie (TPM), low-field 1H NMR relaxometrie a adsorpce dusíku. TPM a NMR relaxometrie mohou být stejně jako adsorpce dusíku použity k charakterizaci mezoporozity uhlíkatých materiálů. NMR relaxometrie navíc umožňuje odhalit menší póry než TPM (mikropóry).

Abstract:

The preparation and properties of organic and carbon resorcinol-formaldehyde xerogels were investigated using different analytical techniques. The preparation of studied materials was based on the sol-gel polycondensation of resorcinol and formaldehyde in aqueous solution. The course and kinetics of resorcinol-formaldehyde polycondensation mixtures prepared with different molar ratio of resorcinol and catalyst (R/C) and weight content of reactants were investigated by several methods. The low-field 1H NMR relaxometry and differential scanning calorimetry (DSC) have been found as suitable techniques for studying the kinetics of resorcinol-formaldehyde polycondensation. The polycondensation is a two-step process. The first reaction step is controlled by the rate of chemical reaction and the mechanism corresponds to the second order kinetics. The second reaction step is limited by the diffusion and the mechanism is best fitted by R3 mechanism (contracting sphere). The R/C molar ratio is one of the most important parameters affecting the properties of the prepared xerogels. The influence of different catalyst concentration (R/C = 1000, 2000, 3000) on mechanical, thermal and themomechanical properties of organic xerogels and on surface, adsorption properties and oxyreactivity of carbon xerogels was investigated. The increasing R/C molar ratio (decreasing catalyst concentration) leads to increase of particle size of the materials, which affect mechanical strength, residual humidity and shrinkage during heating. The higher catalyst content (R/C = 1000) leads to the development of mesoporosity. The porosity as one of the most important properties of nanostructured carbon materials was studied using three various techniques. The mesoporous carbon materials prepared by soft-templating method were characterized by thermoporometry (TPM), low-field 1H NMR relaxometry and nitrogen adsorption. TPM and NMR relaxometry can be used as well as nitrogen adsorption to characterize mesoporosity of carbonaceous materials. The NMR relaxometry additionally allows to detect smaller pore size than TPM (micropores).

Kľúčové slová

resorcinol-formaldehydové xerogely, molární poměr R/C, polykondenzace, kinetika, kinetická rovnice, DSC, porozita

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 13. 7. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 22. 8. 2018
• Vedúci: doc. RNDr. Václav Slovák, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Analytical Chemistry / Analytická chemie heterogenních systémů