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Surface Chemistry of Hydrophobic Silica Aerogels

Malfait, Wim J. und Zhao, Shanyu und Verel, Rene und Iswar, Subramaniam und Rentsch, Daniel und Fener, Resul und Zhang, Yucheng und Milow, Barbara und Koebel, Matthias M. (2015) Surface Chemistry of Hydrophobic Silica Aerogels. Chemistry of Materials, 27 (19), Seiten 6737-6745. ACS Publications. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02801. ISSN 0897-4756.

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Offizielle URL: http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b02801

Kurzfassung

The properties of silica aerogels, and the ability to prepare them by ambient pressure drying, hinge on their chemical surface modification. Until now, quantitative analysis of the surface chemistry has not been possible by state-of-theart analytical methods. Here, we determine the surface chemistry of six archetypal, ambient pressure dried, hydrophobic silica aerogels and open-porous foams with quantitative 1H, 13C, and 29Si and 1H-29Si heteronuclear solid-state NMR spectroscopy. The quality of the external calibration, the validation by elemental analysis, and the consistency among the 1H, 13C, and 29Si MAS NMR data enable us to robustly quantify the surface chemistry of these classical silica materials. Four aerogels were derived from tetraethoxysilane (TEOS), polyethoxydisiloxane (PEDS), or waterglass precursors and hydrophobized with trimethylsilyl (TMS) groups through immersion in hexamethyldisilazane (HMDZ) in heptane, trimethylchlorosilane (TMCS) in heptane, or hexamethyldisiloxane (HMDSO) in ethanol. The resulting aerogels display remarkably similar chemistries despite their very different precursors (alkoxides, waterglass), hydrophobization agents (HMDZ, TMCS, HMDSO), and gelation and hydrophobization solvents (water, ethanol, heptane). The TMS content is nearly the same (22-27 wt %), the ethoxy content is low (<4 wt %), and the silica speciation displays a narrow range for all four aerogels. The 1H-29Si heteronuclear correlation spectra provide unambiguous evidence for the grafting of the TMS groups on the silica surfaces. Remarkably, the NMR data enable the prediction of the silica particle size to within 1 to 2 nm of that derived by TEM analysis. Two additional, inherently hydrophobic, ambient pressure dried, openporous silica foams were synthesized from methyltrimethoxysilane (MTMS) and from a MTMS-dimethyldimethoxysilane (DMDMS) mixture. The reduction in the number of bridging oxygens per Si atom, from 3.76 to 3.90 for TEOS, PEDS, or waterglass based aerogels, to 2.86 for the MTMS based open-porous foam, and to 2.48 for the MTMS-DMDMS derived openporous foam, results in a brittle-to-superflexible transition. Our results highlight the importance of the chemical treatment of the wet gels (hydrophobization and solvent exchange) on the final surface chemistry of silica aerogels.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/120369/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Surface Chemistry of Hydrophobic Silica Aerogels
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Malfait, Wim J.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zhao, ShanyuNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verel, ReneNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Iswar, SubramaniamNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rentsch, DanielNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fener, ResulNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zhang, YuchengNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Milow, BarbaraNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-6350-7728NICHT SPEZIFIZIERT
Koebel, Matthias M.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:4 September 2015
Erschienen in:Chemistry of Materials
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:27
DOI:10.1021/acs.chemmater.5b02801
Seitenbereich:Seiten 6737-6745
Verlag:ACS Publications
ISSN:0897-4756
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Silica Aerogel solid-state NMR spectroscopy chemical surface modification Flexible Silica Aerogel
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Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Aerogele
Hinterlegt von: Fener, Resul
Hinterlegt am:20 Jun 2018 10:41
Letzte Änderung:06 Sep 2019 15:19

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