Zastosowania mezoporowatej krzemionki

John P. Hanrahan, Tom F. O’Mahony, Joseph M. Tobin, John J. Hogan

Glantreo Ltd ERI Building, Lee Road, Cork City, Ireland

Tło

Od czasu ich odkrycia pod koniec lat 70-tych, mezoporowata krzemionka przyciąga uwagę ze względu na swoje unikalne właściwości, takie jak uporządkowana struktura porów, wysoka powierzchnia właściwa i możliwość syntezy w szerokim zakresie morfologii, takich jak kule, pręty, dyski i proszki. W przeciwieństwie do tradycyjnej porowatej krzemionki, mezoporowata krzemionka wykazuje wyjątkowo uporządkowane pory. Wynika to z podejścia nanotemplacyjnego stosowanego podczas syntezy tych materiałów. Na przestrzeni lat powstało wiele rodzajów mezoporowatej krzemionki (SBA 15, SBA 16, MCM 41, MCM 48 itp.) o szerokim zakresie geometrii porów (sześciokątne, sześcienne itp.) i morfologii cząstek.) i morfologii cząstek, takich jak dyski, kule i pręty. Rysunek 1 pokazuje niektóre morfologie mezoporowatej krzemionki (MS) i porowatych sfer krzemionkowych (PSS). Porowate sfery krzemionkowe są kulistymi cząstkami o quasi-uporządkowanej porowatości. Niedawne osiągnięcia w produkcji mezoporowatej krzemionki, umożliwiające produkcję na dużą skalę (do skali kg), ułatwiły przejście od badań laboratoryjnych do bardziej zaawansowanych badań ukierunkowanych na zastosowania.

Mezoporowata krzemionka o jednolitych i dopasowanych wymiarach porów o dużej powierzchni jest wykorzystywana w wielu zastosowaniach, w tym do oczyszczania ścieków, oczyszczania powietrza w pomieszczeniach, katalizy, biokatalizy, dostarczania leków, wychwytywania CO₂ przygotowania próbek bioanalitycznych, ulepszania membran perwaporacyjnych.Mezoporowata krzemionka jest również wykorzystywana jako szablon do kontrolowania współczynnika kształtu kwantowo ograniczonych nanocząstek i nanodrutów. Tabela 1 podsumowuje niektóre obszary zastosowań i obszary tematyczne PSS i MS.

Rysunek 1. Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) przedstawiające różne morfologie i struktury porów porowatych kulek krzemionkowych (PSS) (A&B) i mezoporowatej krzemionki (MS) (C&D).

Tabela 1 Podsumowanie zastosowań materiałów z mezoporowatej krzemionki (MS) i porowatych sfer krzemionkowych (PSS).

Zastosowanie	Obszar tematyczny	Typ materiału / produkt
Quantum confined nanowire host	Electronics/Energy	SBA-15 (Product No. 806803, 806854, 806862)
Usuwanie jonów metali ciężkich ze ścieków	Środowiskowe	SBA-15 (Nr produktu. 806803, 806854, 806862), SBA-16 (Product No. 806927), MCM-48 (Nr produktu. 805467)
.Usuwanie fosforanów ze ścieków	Środowiskowe	Metal (np.tytan) domieszkowany SBA-15 (Nr produktu. 806919)
Środowisko/Zdrowie	PSS
Metanoliza tlenku styrenu	Kataliza	Metal (np.tytan) domieszkowany SBA-15 (Nr produktu. 806919)
Poprawa biodostępności słabo rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek leków	Drug Delivery/Pharmaceutical formulation	SBA-15 (Product No. 806803, 806854, 806862)
Enzyme encapsulation for bio catalysis	Catalysis	SBA-15(Product No. 806803, 806854, 806862) /PSS
Ekstrakcja fosfolipidów z matryc biologicznych	Bioanaliza/Przygotowanie próbek	SBA-15 domieszkowany metalem (Nr produktu. 806919)
.Włączenie sferycznych cząstek krzemionki do membran perwaporacyjnych do oddzielania wody od etanolu	Chemical Separation	PSS
Bezpośrednie wychwytywanie z powietrza CO2<<	Energy	SBA-15 (Product No. 806803, 806854, 806862)

Mezoporowata krzemionka jako nośnik nanodrutów zamkniętych kwantowo

Ze względu na swoje unikalne właściwości optyczne, elektryczne i mechaniczne, nanoskalowe struktury drutów półprzewodnikowych mają odgrywać istotną rolę w nowych technologiach. Mezoporowata krzemionka, która zawiera jednokierunkowe tablice porów, zwykle o średnicy 2-15 nm, biegnące w całym materiale, została z powodzeniem wykorzystana jako szablon dla materiałów półprzewodnikowych utworzonych z fazy gazowej.  Niedawno opisano również nowatorskie podejście oparte na fazie roztworu cieczy nadkrytycznej do produkcji nanodrutów krzemowych w porach mezoporowatej krzemionki.¹

Rysunek 2. Dyfrakcja rentgenowska (XRD) i obraz TEM drutów Si wyhodowanych wewnątrz porów MS. Obrazy XRD i TEM MS przed (GÓRA) i po (DÓŁ) wypełnieniu porów nanodrutami krzemowymi. Wysoka gęstość upakowania krzemowych "mesowires" w matrycy krzemionkowej sprawia, że idealnie nadają się one do tworzenia struktur kwantowych.

Usuwanie jonów metali ciężkich ze ścieków za pomocą zmodyfikowanej mezoporowatej krzemionki

Jony metali są znaczącym zanieczyszczeniem środowiska w ściekach, a długotrwałe narażenie na rozpuszczone jony metali i ich wpływ na zdrowie ludzi i naturalne ekosystemy jest głównym powodem do niepokoju. Metale będące przedmiotem głównego zainteresowania obejmują chrom, nikiel, mangan, żelazo i różne metale ciężkie. Do usuwania jonów metali z odpadów stosuje się kilka metod, takich jak strącanie, koagulacja/flokulacja, wymiana jonowa, odwrócona osmoza, kompleksowanie/sekwencjonowanie, działanie elektrochemiczne i obróbka biologiczna. Metody te mają jednak ograniczenia wynikające z wysokich kosztów operacyjnych i energetycznych. Sorbenty, takie jak węgiel aktywny, zeolity i gliny, są również stosowane do oczyszczania ścieków. Wady tych materiałów obejmują jednak stosunkowo niską i zmienną pojemność ładunkową oraz małe stałe wiązania jonów metali. Dzięki dużej powierzchni (zazwyczaj 200-1000 cm² g^-1), dużej objętości porów i łatwości recyklingu/regeneracji, uporządkowane MS stają się uznanymi sorbentami jonów metali. Funkcjonalizacja mezoporowatej krzemionki różnymi czynnikami chelatującymi (lub ligandami specyficznymi dla jonów metali) umożliwia selektywne usuwanie jonów metali z układów wodnych lub organicznych przy większych poborach.Tabela 2 przedstawia pojemności sorpcyjne dla monofunkcjonalizowanej (amina lub tiol) i dwufunkcjonalizowanej (amina i tiol) SBA-15.²

.

Tabela 2. Wyniki ekstrakcji jonów metali dla aminowej, tiolowej i aminowo-tiolowej funkcjonalizowanej mezoporowatej krzemionki SBA-15.

	Stężenie początkowe (µmol/g)	Si-NH	Si-SH	SH-Si-NH
Zn	152.9 ± 0,2	0,6 ± 0,4	30,8 ± 5,1	1.3 ± 1
Pb	48.3 ± 0.1	0 ± 1.1	7.7 ± 1.8	1.3 ± 0.8
Cd	88.9 ± 0.1	0.8 ± 0.3	13.1 ± 1	0.1 ± 0.3
Ni	170.4 ± 0.2	16 ± 3.7	30.1 ± 4.1	2.4 ± 3.1
Fe	179.1 ± 0.2	1.6 ± 2.2	17.3 ± 3.9	0.2 ± 0.1
Cr	192.3 ± 0.3	18.9 ± 0.9	26.5 ± 1.4	3.2 ± 2.8
Mg	411.4 ± 0.5	338.1 ± 88.1	75.2 ± 12.1	0 ± 0.2
V	196.3 ± 0.3	7 ± 4.2	6.7 ± 1.6	0 ± 0.3
Mn	182 ± 0.3	3.5 ± 4.7	27.6 ± 1	0 ± 0.1
Ca	249.5 ± 0.4	93 ± 24.2	25 ± 2.1	3.8 ± 1.2
Cu	157.4 ± 0.2	0 ± 1.8	0 ± 0.3	0 ± 0.2

Usuwanie fosforanów ze ścieków przy użyciu mezoporowatej krzemionki domieszkowanej metalami

Fosfor (w postaci jonów fosforanowych) jest ważnym pierwiastkiem, który jest szeroko stosowany w rolnictwie jako nawóz i w przemyśle jako detergent. Jednak stosowanie fosforu powoduje eutrofizację, gdy jest on uwalniany do środowisk wodnych. Kilka agencji ochrony środowiska na całym świecie zidentyfikowało eutrofizację wynikającą z nadmiaru fosforu jako największe zagrożenie dla zaopatrzenia w słodką wodę. Eutrofizacja prowadzi do śmierci ryb i degradacji siedlisk wraz z utratą gatunków roślin i zwierząt.  Udowodniono, że uporządkowane MS są dobrym adsorbentem jonów metali i aminokwasów. Ostatnio skupiono się na wykorzystaniu MS funkcjonalizowanych selektywnymi ligandami do adsorpcji jonów metali. Wykazano również, że MS domieszkowane metalami przejściowymi są obiecujące do adsorpcji fosforanów. Rysunek 3 przedstawia kilka domieszkowanych mezoporowatych krzemionek i ich skuteczność usuwania fosforanów z modelowych roztworów wodnych. We wszystkich przypadkach domieszkowany materiał SBA-15 wykazuje wysoką skuteczność adsorpcji.³

Rysunek 3. Usuwanie fosforanów ze ścieków przy użyciu SBA-15 domieszkowanego tytanem, żelazem, cyrkonem i aluminium.

Usuwanie lotnych węgli organicznych (LZO) z powietrza w pomieszczeniach przy użyciu porowatych krzemionkowych sfer (PSS)

Zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniach ma niekorzystny wpływ na zdrowie ludzi. Oczekuje się, że skutki zdrowotne zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach będą rosły. W 2001 r. krajowe badanie wzorców aktywności człowieka wykazało, że w Stanach Zjednoczonych ludzie zazwyczaj spędzają około 90% czasu w pomieszczeniach.  Wiadomo, że aldehydy mają niekorzystny wpływ na zdrowie (podrażnienie oczu i płuc), a formaldehyd i akroleina są podejrzewane o działanie rakotwórcze.  Zmiany w projektowaniu budynków i poprawa efektywności energetycznej, wraz ze wzrostem izolacji i zmniejszeniem wymiany powietrza, doprowadziły do powstania coraz bardziej szczelnych budynków. Nowoczesne syntetyczne materiały budowlane, takie jak uszczelniacze, tworzywa sztuczne i powłoki na bazie rozpuszczalników, przyczyniły się do zwiększenia problemu, a lotne związki organiczne (LZO), nielotne związki organiczne (NVOC) i półlotne związki organiczne (SVOC) są zanieczyszczeniami wewnątrz pomieszczeń.

Porowate kule krzemionkowe (PSS) mogą być stosowane do skutecznego wychwytywania różnych zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach, zarówno w środowiskach symulowanych, jak i w pomieszczeniach. Adsorbent był testowany przy stosunkowo wysokich stężeniach (500 ppb) i natężeniach przepływu (10 l min^-1). Wykazano, że PSS przewyższa dostępną na rynku żywicę Amberlite XAD-4 w wychwytywaniu niepolarnych LZO i jest znacznie bardziej skuteczny w wychwytywaniu polarnych LZO obecnych w otaczającym powietrzu. Adsorbent PSS wychwycił 100% związków karbonylowych obecnych w fazie gazowej w eksperymencie w komorze symulacyjnej w ciągu pierwszych 10 minut pobierania próbek, a żywica XAD-4 miała różne poziomy skuteczności w zakresie od 100 do 8% w okresie pobierania próbek dla tej samej grupy związków karbonylowych.

Rysunek 4 przedstawia wykres skuteczności wychwytywania dla wybranych małych związków karbonylowych: acetonu, butanalu, pentanalu i heksanalu. Skuteczność wychwytywania PSS dla każdego z tych związków jest bliska 100% po pierwszych 10 minutach. Żywica XAD-4 wykazała różne wartości skuteczności wychwytywania w zakresie od 100 do 8% po pierwszych 10 minutach. Jednak skuteczność wychwytywania dla obu sorbentów zmniejszała się stopniowo wraz z upływem czasu ze względu na stopniowe nasycanie powierzchni sorpcyjnej wychwytywanymi związkami.⁴

Rysunek 4. Dane pokazujące skuteczność wychwytywania XAD-4 (linia przerywana) i PSS (linia ciągła) dla (a) acetonu, (b) butanalu, (c) pentanalu i (d) heksanalu.

Mezoporowata krzemionka domieszkowana metalami do metanolizy tlenku styrenu

Wysoko uporządkowany sześciokątny MS domieszkowany cyrkonem i tytanem o stosunkach Si/Zr i Si/Ti wynoszących 40:1 i 80:1 został użyty jako stały katalizator kwasowy do metanolizy tlenku styrenu w jednomodowym reaktorze mikrofalowym. Jako katalizator materiał Si/Zr wykazał doskonałą konwersję substratu, wysoką selektywność produktu i pozostał wysoce aktywny przez kilka cykli reakcji (Rysunek 5). Te wyniki eksperymentalne pokazują, że mezoporowata krzemionka domieszkowana cyrkonem jest wydajnym katalizatorem metanolizy tlenku styrenu w fazie ciekłej. Izolacja produktów wymagała prostego etapu filtracji/odparowania. Typowa reakcja przeprowadzona z katalizatorem 40:1 Si:Zr w jednogniazdowym reaktorze mikrofalowym działającym przy 105 W przez 10 minut pozwoliła na 100% konwersję tlenku styrenu. Badania recyklingowe wykazały, że katalizator pozostaje wysoce wydajny przez co najmniej pięć cykli z 95% konwersją tlenku styrenu po tym, jak katalizator został poddany promieniowaniu mikrofalowemu, gdy był zawieszony w metanolu.⁵

Rysunek 5. Obraz z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) próbki 40.1 Si/Zr pokazujący uporządkowanie heksagonalne (A) i retencję porów (B). Dolny obraz przedstawia procentową konwersję tlenku styrenu w stosunku do zdolności do recyklingu i całkowitą liczbę obrotów (TON) dla katalizatora 40:1 (dolny obraz).

Formuły leków/SBA-15 poprawiające biodostępność słabo rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek leków

Dobrze wiadomo, że zwiększenie efektywnej powierzchni słabo rozpuszczalnego w wodzie leku w kontakcie ze środkiem rozpuszczającym może poprawić rozpuszczanie leku.Można to osiągnąć poprzez załadowanie leków na uporządkowane MS, które charakteryzują się wysokimi powierzchniami, dużymi objętościami mezoporów, wąskimi rozkładami wielkości mezoporów (5-8 nm) i uporządkowanymi jednokierunkowymi sieciami mezoporów. Właściwości te pozwalają na jednorodne i powtarzalne ładowanie i uwalnianie leków za pomocą MS.

Rysunek 6. Obrazy SEM/EDX fizycznej mieszaniny fenofibratu obciążonego SBA-15 (górny obraz) i stopionej próbki (dolny). Obrazy SEM znajdują się po lewej stronie, a EDX po prawej. Obraz A w dolnej części przedstawia profile uwalniania nieprzetworzonego fenofibratu, mieszanki fizycznej i próbek stopionych, podczas gdy profil uwalniania impregnowanych, ciekłych i przetworzonych próbek SC-CO2 pokazano na obrazie B.

Uwalnianie leku z nośnika krzemionkowego jest kluczowym wskaźnikiem wydajności, który należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu OMM (uporządkowanych materiałów mezoporowatych) w celu poprawy rozpuszczania leku. Uwalnianie leku z próbek lek-krzemionka in vitro oraz rozpuszczanie wyjściowego fenofibratu przedstawiono na Rysunku 6. Zastosowanie MS jako materiału nośnego poprawiło szybkość rozpuszczania leku dla wszystkich przetworzonych próbek.⁶

Kapsułkowanie enzymów w mezoporowatej krzemionce do biokatalizy

Immobilizacja enzymów może przynieść szereg korzyści, takich jak zwiększona stabilność, łatwość odzyskiwania i ponownego użycia oraz możliwość stosowania enzymu w niewodnych rozpuszczalnikach, w których enzym jest nierozpuszczalny. Jednak główną wadą immobilizacji jest to, że zwykle obniża ona aktywność enzymu, a proces immobilizacji może powodować znaczne koszty procesu. Ponadto, metody immobilizacji mają tendencję do bycia niespecyficznymi i zazwyczaj proces immobilizacji konkretnego enzymu na nośniku jest optymalizowany i opracowywany indywidualnie dla każdego przypadku. Materiały nośne do immobilizacji enzymu powinny być stabilne mechanicznie i chemicznie, mieć dużą powierzchnię, być łatwe do wytworzenia przy niskich kosztach i wykazywać niskie właściwości niespecyficznej adsorpcji białek. Ponadto immobilizacja powinna zachodzić w sposób, który nie zagraża konformacji lub aktywności enzymu, przy jednoczesnym zachowaniu dyfuzji substratu i produktu do i z miejsca aktywnego. MS były szeroko stosowane jako nośniki enzymów i podjęto znaczne wysiłki w celu wykorzystania ich jako nośników do biokatalizy.

Rysunek 7. Profile aktywności dla cytochromu c unieruchomionego na SBA-15 (kwadrat), PSS (trójkąt) i dla wodnego cytochromu c (otwarte okręgi).

Badano adsorpcję i aktywność cytochromu c i lipazy na dwóch nośnikach krzemionkowych (SBA-15 i PSS) o tej samej średniej średnicy porów, ale o różnych objętościach porów i powierzchniach. Na SBA-15 uzyskano ładunki cytochromu c i lipazy B Candida antarctica (CALB) wynoszące odpowiednio 15,6 i 2,04 mol g^-1 w porównaniu z ładunkami wynoszącymi odpowiednio 0,94 i 6,7 mol g^-1  na PPS. Te różnice w obciążeniu można przypisać różnicom we właściwościach (objętości porów, powierzchni i morfologii) nośników. Aktywność katalityczna cytochromu c była podobna na obu nośnikach, podczas gdy aktywność CALB była wyższa na SBA-15 w porównaniu do PPS (7,8 vs 4 s^-1). Te różnice w aktywności CALB prawdopodobnie wynikają z morfologii porów i właściwości fizycznych nośników, co jest hipotezą popartą wyższą zdolnością do recyklingu uzyskaną w przypadku SBA 15. Dane wskazują, że właściwości fizyczne mezoporowatych nośników krzemionkowych mogą znacząco zmieniać aktywność i stabilność enzymów.⁷

Doped Mesoporous Silica for Phospholipid Extraction from Biological Matrices

Matryce spożywcze są trudne w obróbce, ponieważ zawierają niepożądane lub zakłócające związki (tj. fosfolipidy).fosfolipidy), a próbki często wymagają oczyszczenia i ekstrakcji przed oznaczeniem za pomocą chromatografii cieczowej (LC) i/lub spektroskopii masowej. Niedawno domieszkowany MS (SBA-15 domieszkowany tytanem) został użyty w metodzie dyspersyjnej ekstrakcji do fazy stałej (dSPE) QuEChERS (szybka, łatwa, tania, skuteczna, wytrzymała i bezpieczna) do przygotowania próbek tkanek wątroby. Domieszkowany tytanem SBA-15 został użyty do przygotowania próbek biologicznych przed analizą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) i wykazano, że ma preferencyjną selektywność dla fosfolipidów bez usuwania interesującego analitu z próbki. Domieszkowanie cząsteczki tytanu do szkieletu krzemionkowego zapewnia znaczące korzyści pod względem wytrzymałości i stabilności chemicznej w porównaniu z innymi materiałami hybrydowymi metal-krzemionka, w których cząsteczki metalu są przyłączone do czystej krzemionki.

Odzyski z próbek przetwarzanych za pomocą mezoporowatej krzemionki domieszkowanej tytanem (SiTi) są wyższe niż te przetwarzane za pomocą tradycyjnego sorbentu C18. Dane przedstawione w Tabeli 3 dla materiałów sorbentowych C18 i SiTi(4%)-C18 sugerują, że SiTi(4%)-C18 jest bardziej skuteczny niż tradycyjny sorbent C18 stosowany w metodzie opartej na QuEChERS do przygotowywania próbek leków przeciwrobaczych w formacie d-SPE.

Tabela 3. Dane dotyczące odzysku próbek tkanki wątroby owiec przy użyciu C18 i SiTi(4%)-C18 jako materiałów sorbujących.

Analyte	C18 Mean (n=5)	±SD	CV%	SiTi4%C18 Średnia (n=5)	±SD	CV%
Albendazol	80	12	15	125	10	8
Sulfotlenek albendazolu	71	5	8	99	6	6
Sulfon albendazolu	81	5	6	121	5	4
Albendazol-aminosulfon	61	1	1	78	6	8
Kambendazol	81	4	5	112	8	7
Fenbendazol	83	10	12	123	9	8
Oxfendazol	72	4	6	109	7	7
Fenbendazol-sulfon	77	5	7	125	12	10
Flubendazol	78	5	7	121	8	7
Aminoflubendazol	54	2	4	76	6	8
Hydroksyflubendazol	62	3	5	90	6	7
Mebendazol	76	6	8	124	9	7
Amino-mebendazol	50	1	3	71	5	6
Hydroksymebendazol	77	6	7	116	7	6
Oxibendazol	85	9	11	119	9	8
Triclabendazol	88	15	17	138	10	7
Sulfotlenek triklabendazolu	77	6	7	107	1	1
Triclabendazole-sulphone	93	6	7	143	2	1
Tiabendazol	82	3	3	97	3	3
5-hydroksy-tiabendazol	67	3	5	83	7	8
Levamisole	78	2	2	96	5	6
Clorsulon	79	5	6	111	0	0
Closantel	92	10	11	135	7	5
Morantel	75	1	2	101	7	7
Niklosamid	90	14	15	124	8	6
Nitroxynil	59	3	5	79	1	1
Oksyklozanid	85	9	10	107	3	3
Rafoksanid	87	18	21	139	9	7
Monepantel	99	10	10	128	6	4
Monepantel Sulphone	95	8	9	127	6	4
Abamektyna B1a	100	23	23	137	2	1
Doramectin	93	18	19	133	6	4
Emamektyna B1a	78	11	14	132	8	6
Eprinomektyna B1a	79	18	23	175	10	6
Iwermektyna B1a	89	11	13	117	6	5
Moksydektyna	89	13	15	157	8	5
Ogółem	79	8	9	116	6	6

Włączenie porowatych sfer krzemionkowych (PSS) do membran perwaporacyjnych w celu oddzielenia wody od etanolu

Perwaporacja to technologia separacji membranowej stosowana głównie do odwadniania i odzyskiwania rozpuszczalników. Jest ona również wykorzystywana do oddzielania mieszanin organiczno-organicznych. Technologia perwaporacji ma znaczną przewagę nad innymi technikami separacji, ponieważ może być stosowana do skutecznego "rozbijania" azeotropów mieszanin bez żadnych trudności fizycznych. Technika ta nie ma również negatywnego wpływu na środowisko, jaki mają techniki takie jak destylacja azeotropowa. Jedną z metod poprawy strumienia membrany bez znacznego pogorszenia selektywności jest włączenie porowatych cząstek (np. zeolitów i cząstek krzemionki) do matrycy polimerowej. W porowatych hybrydach membran ceramiczno-polimerowych tego typu inżynieria cząstek (tj. rozmiar, kształt, monodyspersyjność, wielkość porów i chemia powierzchni) ma istotne znaczenie.

Rysunek 8. Absorpcja membrany w funkcji czasu: górny obraz przedstawia absorpcję roztworu etanolu i wody o stężeniu 50:50% wag. przez membranę selektywną w czasie. Maksima na wykresie reprezentują punkt, w którym membrana ulega rozpuszczeniu, tj. traci formę membrany i staje się bezużyteczna. Obraz A w dolnej części przedstawia obraz powierzchni membrany PVA obciążonej 15% mas. krzemionki, podczas gdy obraz B przedstawia obraz powierzchni membrany PVA obciążonej 10% mas. krzemionki.

Włączenie zmodyfikowanego PSS do polimerowych membran perwaporacyjnych może być bardzo korzystne. Na przykład wykazano, że włączenie sferycznych i dyskretnych cząstek krzemionki o średnicy 1,8-2 μm i wielkości porów 1,8 nm do polimeru poli (alkoholu winylowego) [PVA] tworzy kompozytową membranę perwaporacyjną, która wykazuje znaczny wzrost zarówno strumienia, jak i selektywności (Rysunek  8). W przeciwieństwie do systemów zeolitowych, PSS można kontrolować w celu uzyskania szerokiego zakresu rozmiarów porów i składu chemicznego, co może zapewnić membrany nowej generacji do różnych zastosowań perwaporacyjnych.⁸

Bezpośrednie wychwytywanie powietrza z CO₂ przy użyciu modyfikowanej mezoporowatej krzemionki

Wytwarzanie dwutlenku węgla (CO₂) stanowi znaczące zagrożenie dla globalnego klimatu i stanowi aktualne wyzwanie, które wymaga uwagi. W tym kontekście antropogeniczne emisje CO₂ są powodem do niepokoju, ponieważ jest on generowany jako niepożądany składnik towarów takich jak gaz ziemny, biogaz itp. Argumentuje się jednak, że sekwestracja CO₂ albo z mieszanin gazowych, albo bezpośrednio z powietrza może złagodzić ryzyko związane z emisją dwutlenku węgla, a do tego celu zbadano różne porowate materiały, takie jak mezoporowata krzemionka, zeolity, struktury metaloorganiczne. Ostatnie prace wykazały, że funkcjonalizowany aminą SBA-15 przewyższa materiały wzorcowe, takie jak struktury metaloorganiczne (MOF) i zeolit w sekwestracji CO₂ .⁹

.

1. Coleman NRB, O'Sullivan N, Ryan KM, Crowley TA, Morris MA, Spalding TR, Steytler DC, Holmes JD. 2001. Synthesis and Characterization of Dimensionally Ordered Semiconductor Nanowires within Mesoporous Silica. J. Am. Chem. Soc.. 123(29):7010-7016. https://doi.org/10.1021/ja015833j

2. Burke AM, Hanrahan JP, Healy DA, Sodeau JR, Holmes JD, Morris MA. 2009. Large pore bi-functionalised mesoporous silica for metal ion pollution treatment. Journal of Hazardous Materials. 164(1):229-234. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.07.146

3. Delaney P, McManamon C, Hanrahan JP, Copley MP, Holmes JD, Morris MA. 2011. Development of chemically engineered porous metal oxides for phosphate removal. Journal of Hazardous Materials. 185(1):382-391. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.08.128

4. Delaney P, Healy RM, Hanrahan JP, Gibson LT, Wenger JC, Morris MA, Holmes JD. 2010. Porous silica spheres as indoor air pollutant scavengers. J. Environ. Monit.. 12(12):2244. https://doi.org/10.1039/c0em00226g

5. Barreca D, Copley MP, Graham AE, Holmes JD, Morris MA, Seraglia R, Spalding TR, Tondello E. 2006. Methanolysis of styrene oxide catalysed by a highly efficient zirconium-doped mesoporous silica. Applied Catalysis A: General. 30414-20. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2006.02.034

6. Ahern RJ, Hanrahan JP, Tobin JM, Ryan KB, Crean AM. 2013. Comparison of fenofibrate?mesoporous silica drug-loading processes for enhanced drug delivery. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 50(3-4):400-409. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2013.08.026

7. Abdallah NH, Schlumpberger M, Gaffney DA, Hanrahan JP, Tobin JM, Magner E. 2014. Comparison of mesoporous silicate supports for the immobilisation and activity of cytochrome c and lipase. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 10882-88. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2014.06.007

8. Flynn E, Keane D, Tabari P, Morris M. 2013. Pervaporation performance enhancement through the incorporation of mesoporous silica spheres into PVA membranes. Separation and Purification Technology. 11873-80. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.06.034

9. Kumar A, Madden DG, Lusi M, Chen K, Daniels EA, Curtin T, Perry JJ, Zaworotko MJ. 2015. Direct Air Capture of CO2by Physisorbent Materials. Angew. Chem. Int. Ed.. 54(48):14372-14377. https://doi.org/10.1002/anie.201506952