Solid and colloidal particles via sonochemistry

通过声化学分析固体和胶体颗粒

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2017-05628
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 1.75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2020-01-01 至 2021-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Time-efficient and inexpensive synthetic routes to manufacture engineered solids and colloidal particles are required by the ever-changing market and applications. The long term objective is to develop ultrasound (ULS)-based techniques to manufacture far-ranging materials, including inorganic, organic, composite and hybrid matrices. I anticipate that modulating the local temperature and pressure, and micro-turbulence enacted by ultrasonic acoustic cavitation will fine-tune the structural-morphological properties of solid and colloidal particles, being these inorganic, organic or hybrid. The sub-objectives include: i) Sonochemical synthesis of catalysts for liquid-solid and gas-solid systems, ii) Sonochemical sol-gel and hydrothermal synthesis of hybrid inorganic-organic frameworks, iii) Sonochemical stabilization of colloidal particles for edible films. i) Synthesizing systems with a network of interconnected micro- and mesopores, combining high specific surface area and improved mass transfer is the major challenge in catalysis. The sol-gel technique, whereby a template directs the polymerization of the catalyst precursor in a 3D structure is the main method to synthesize these systems. I anticipate that ULS will improve the intercalation of the structure-directing agent and increase the gelation rate. The interpretation of the results will provide an understanding of the action of ULS on these mechanisms, which misses in the current state of the art. ii) Periodic mesoporous organosilicas (PMOs) and metal organic frameworks (MOFs) are hybrid inorganic-organic materials with inherent multidisciplinarity bridging fields of application including catalysis, fuel cells, gas storage, absorbents, enzyme immobilization, drug delivery, and imaging. Developing time-efficient syntheses is crucial for their application at the commercial scale (not yet attained). I will adopt ULS to shorten the gelation time to manufacture both PMOs and MOFs, thus replacing slow diffusion syntheses, such as the hydrothermal method, which can take up to several days. iii) Combining polysaccharides and proteins with hydrophobic materials or polymers at low concentration produces emulsion-based edible multilayer films with combined O2, CO2, and improved H2O barrier properties. Achieving a stable dispersion is the current challenge to manufacture targeted structures and warrant at the same time the mechanical strength of the film. I anticipate that the ultrasonically generated shock waves will improve the dispersion of the polar and non-polar molecules in water creating a very fine emulsion. We will quantify the effect of ULS on the properties of the emulsions of the hydrophilic polymer with the hydrophobic component and propose successful synthesis strategies.
不断变化的市场和应用需要时间效率且廉价的合成途径来制造工程固体和胶体颗粒。长期目标是开发基于超声(ULS)的技术来制造远程材料,包括无机,有机,复合和混合矩阵。我预计调节局部温度和压力,以及超声声气膜实施的微扰动,将微调固体和胶体颗粒的结构形态性特性,是这些无机,有机或杂种。亚客体包括:i)用于液固氧和气体降差系统的催化剂的超声合成,ii)杂交无机有机框架的声化液和热液合成,iiii)胶体颗粒的单化学稳定性胶体颗粒用于胶体膜的固定。 i)与互连的微型和中孔网络合成系统,结合高比表面积和改善的传质是催化的主要挑战。 Sol-Gel技术,模板在3D结构中指导催化剂前体的聚合是合成这些系统的主要方法。我预计ULS将改善结构导向剂的插入并提高凝胶速率。对结果的解释将提供对ULS对这些机制的作用的理解,这些机制错过了当前的最新状态。 ii)周期性介孔有机硅(PMO)和金属有机框架(MOF)是杂交无机有机材料,具有固有的多学科桥梁施用领域,包括催化,燃料电池,燃料电池,气体存储,吸收剂,酶固定,药物输送和成像。开发时间效率的合成对于在商业规模上的应用至关重要(尚未达到)。我将采用UL来缩短凝胶时间来生产PMO和MOF,从而取代缓慢的扩散合成,例如水热方法,最多可能需要几天。 iii)将多糖和蛋白质与疏水材料或低浓度的聚合物结合在一起,可产生具有乳液的可食用多层膜,具有O2,CO2合并和改进的H2O屏障特性。实现稳定的分散体是制造目标结构并保证膜的机械强度的当前挑战。我预计超声产生的冲击波会改善极性和非极性分子在水中的分散体,从而产生非常细的乳液。我们将量化ULS对亲水性聚合物乳液与疏水成分的乳液特性的影响,并提出成功的合成策略。

项目成果

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