Hierarchiczne porowate materiały węglowe: synteza i wprowadzenie

Hierarchicznymateriały porowate, posiadający wielopoziomowe struktury porów - makropory (średnica> 50 nm), mezopory (2-50 nm) i mikropory (<2 nm) - wykazują duże powierzchnie właściwe, wysoki stosunek objętości porów, zwiększoną przepuszczalność, niskie właściwości przenoszenia masy oraz znaczną pojemność magazynową. Te cechy doprowadziły do ​​ich szerokiego zastosowania w różnych dziedzinach, w tym w katalizie, adsorpcji, separacji, energetyce i naukach przyrodniczych, wykazując lepszą wydajność w porównaniu z prostszymi materiałami porowatymi.

Czerpanie inspiracji z natury

Wiele projektów hierarchicznych materiałów porowatych inspirowanych jest strukturami naturalnymi. Materiały te mogą zwiększać przenoszenie masy, umożliwiać selektywne przenikanie, tworzyć znaczące środowiska hydrofilowo-hydrofobowe i modulować właściwości optyczne materiałów.

Strategie syntezy hierarchicznejMateriały porowate

1. Metoda szablonowania środka powierzchniowo czynnego

Jak możemy wykorzystać środki powierzchniowo czynne do utworzenia hierarchicznych materiałów mezoporowatych? Stosowanie dwóch środków powierzchniowo czynnych o różnej wielkości cząsteczek jako matryc jest prostą strategią. Samoorganizujące się agregaty molekularne lub zespoły supramolekularne surfaktantu stosowano jako środki kierujące strukturą do konstruowania struktur porowatych. Uważnie kontrolując rozdział faz, można zsyntetyzować hierarchiczne struktury porów przy użyciu szablonów z podwójnym środkiem powierzchniowo czynnym.

W rozcieńczonych roztworach wodnych surfaktantów redukcja kontaktu łańcucha węglowodorowego z wodą zmniejsza energię swobodną układu. Hydrofilowość końcowych grup środka powierzchniowo czynnego determinuje rodzaj, wielkość i inne cechy agregatów utworzonych przez wiele cząsteczek środka powierzchniowo czynnego. CMC wodnych roztworów środka powierzchniowo czynnego jest powiązana ze strukturą chemiczną środka powierzchniowo czynnego, temperaturą i/lub współrozpuszczalnikami zastosowanymi w systemie.

Bimodalne mezoporowate żele krzemionkowe wytwarza się przy użyciu roztworów zawierających kopolimery blokowe (KLE, SE lub F127) i mniejsze środki powierzchniowo czynne (IL, CTAB lub P123).

2. Metoda replikacji

Jakie jest klasyczne podejście do syntezyporowate materiały węglowe? Ogólna procedura replikacji szablonów dla porowatego węgla obejmuje przygotowanie kompozytu prekursor węgla/matryca nieorganiczna, karbonizację, a następnie usunięcie nieorganicznej matrycy. Metodę tę można podzielić na dwie kategorie. Pierwsza kategoria obejmuje osadzanie w prekursorze węglowym nieorganicznych szablonów, takich jak nanocząstki krzemionki. Po karbonizacji i usunięciu matrycy powstałe porowate materiały węglowe mają izolowane pory początkowo zajęte przez formy matrycy. Druga metoda wprowadza prekursor węgla do porów szablonu. Porowate materiały węglowe powstałe po karbonizacji i usunięciu szablonu posiadają wzajemnie połączone struktury porów.

3. Metoda zol-żel

W jaki sposób metoda zol-żel jest wykorzystywana do syntezy hierarchicznych materiałów porowatych? Rozpoczyna się utworzeniem zawiesiny cząstek koloidalnych (zolu), po czym następuje utworzenie żelu złożonego z zagregowanych cząstek zolu. Obróbka termiczna żelu pozwala uzyskać pożądany materiał i morfologię, taką jak proszki, włókna, folie i monolity. Prekursorami są zazwyczaj organiczne związki metali, takie jak alkoholany, chelatowane alkoholany lub sole metali, takie jak chlorki, siarczany i azotany metali. Początkowa hydroliza alkoholanów lub deprotonacja skoordynowanych cząsteczek wody prowadzi do powstania reaktywnych grup hydroksylowych, które następnie ulegają procesom kondensacji, tworząc rozgałęzione oligomery, polimery, jądra ze szkieletem tlenku metalu oraz reaktywne resztkowe grupy hydroksylowe i alkoholanowe.

4. Metoda po leczeniu

Jakie metody obróbki końcowej stosuje się do przygotowania hierarchicznych materiałów porowatych poprzez wprowadzenie porów wtórnych? Metody te można ogólnie podzielić na trzy kategorie. Pierwsza kategoria obejmuje dodatkowe szczepieniemateriały porowatena oryginalny porowaty materiał. Drugi polega na trawieniu chemicznym lub ługowaniu pierwotnego porowatego materiału w celu uzyskania dodatkowych porów. Trzeci polega na składaniu lub układaniu prekursorów materiałów porowatych (zwykle nanocząstek) przy użyciu metod chemicznych lub fizycznych (takich jak osadzanie wielowarstwowe i drukowanie atramentowe) w celu utworzenia nowych porów. Istotnymi zaletami obróbki końcowej są: (i) możliwość zaprojektowania różnych funkcjonalności w celu spełnienia różnych wymagań; (ii) umiejętność uzyskiwania różnorodnych struktur w celu projektowania zorganizowanych wzorów i morfologii; (iii) możliwość łączenia różnych typów porów w celu rozszerzenia pożądanych zastosowań.

5. Metoda szablonowania emulsji

W jaki sposób dostosowanie fazy olejowej lub wodnej w emulsji może utworzyć struktury hierarchiczne o rozmiarach porów od nanometrów do mikrometrów? Prekursory zestalają się wokół kropelek, a następnie rozpuszczalniki są usuwane poprzez odparowanie, w wyniku czego powstają porowate materiały. W większości przypadków jednym z rozpuszczalników jest woda. Emulsje można utworzyć poprzez zdyspergowanie kropelek wody w fazie olejowej, co jest znane jako „emulsje woda w oleju (W/O)” lub przez zdyspergowanie kropelek oleju w wodzie, co jest znane jako „emulsje olej w wodzie (O/W) emulsje.”

Do wytwarzania porowatych polimerów o powierzchniach hydrofilowych szeroko stosuje się emulsje W/O w celu dostosowania ich hydrofobowych porowatych struktur. Aby zwiększyć hydrofilowość, do niefunkcjonalizowanych monomerów (takich jak styren) w emulsji dodaje się kopolimery zdolne do funkcjonalizacji (takie jak chlorek winylobenzylu). Dostosowując rozmiary kropel, hierarchiczniemateriały porowateo wzajemnie powiązanych porowatościach i ciągłych średnicach porów.

6. Metoda syntezy zeolitu

W jaki sposób strategie syntezy zeolitu, w połączeniu z innymi strategiami syntezy, mogą generować hierarchiczne materiały porowate? Strategie przerostu oparte na kontroli rozdziału faz podczas syntezy zeolitu można zastosować do otrzymania bimikroporowatych zeolitów o hierarchicznych strukturach rdzeń/powłoka, które można podzielić na trzy typy. Pierwszy typ obejmuje przerost przez rdzenie izomorficzne (takie jak ZSM-5/silikalit-1), gdzie kryształy rdzenia działają jako czynniki kierujące strukturą. Drugi typ to wzrost epitaksjalny, taki jak zeolit ​​typu LTA/FAU, obejmujący te same jednostki budowlane o różnych układach przestrzennych. W tej metodzie, ze względu na selektywny przerost warstw zeolitu, pokrycie można wykonać tylko na określonych powierzchniach kryształu. Trzeci typ to przerost na różnych zeolitach, takich jak typy FAU/MAZ, BEA/MFI i MFI/AFI. Zeolity te składają się całkowicie z różnych struktur zeolitów, dzięki czemu posiadają odrębne właściwości chemiczne i strukturalne.

7. Metoda szablonowania kryształów koloidalnych

W jaki sposób metoda szablonowania kryształów koloidalnych, w porównaniu z innymi metodami, umożliwia wytwarzanie materiałów o uporządkowanych, okresowych strukturach porów w większym zakresie rozmiarów? Porowatość wygenerowana tą metodą jest bezpośrednią repliką okresowego układu jednolitych cząstek koloidalnych używanych jako twarde szablony, co ułatwia konstruowanie hierarchicznych poziomów wielkości w porównaniu z innymi metodami szablonowania. Stosowanie szablonów kryształów koloidalnych może zapewnić dodatkową porowatość poza złożonymi pustkami koloidalnymi.

Zilustrowano podstawowe etapy tworzenia szablonów kryształów koloidalnych, w tym tworzenie matryc kryształów koloidalnych, infiltrację prekursorów i usuwanie szablonów. Ogólnie rzecz biorąc, można generować zarówno struktury szablonów powierzchniowych, jak i objętościowych. Trójwymiarowe uporządkowane struktury makroporowate (3DOM) wygenerowane poprzez szablony powierzchniowe obejmują wzajemnie połączone sieci „balonowe” i przypominające rozpórki.

8. Metoda bioszablonowa

Jak są hierarchicznemateriały porowatewyprodukowane przy użyciu strategii biomimetycznych, które bezpośrednio replikują naturalne materiały lub procesy spontanicznego składania? Obie metody można określić jako procesy inspirowane biologią.

Szeroką gamę naturalnych materiałów o hierarchicznej strukturze porowatej można bezpośrednio wykorzystać jako biologiczne szablony ze względu na ich niski koszt i przyjazność dla środowiska. Wśród tych materiałów odnotowano nici bakteryjne, skorupy okrzemek, błony skorupek jaj, skrzydła owadów, ziarna pyłku, liście roślin, celulozę drzewną, agregaty białkowe, jedwab pajęczy, okrzemki i inne organizmy.

9. Metoda szablonowania polimeru

W jaki sposób struktury polimerowe z makroporami można wykorzystać jako szablony do wytwarzania hierarchicznych materiałów porowatych? Polimery makroporowate mogą działać jak rusztowania, wokół których lub w ich obrębie zachodzą reakcje chemiczne lub infiltracja nanocząstek, kierując morfologią materiału. Po usunięciu polimeru materiał zachowuje cechy strukturalne pierwotnego szablonu.

10. Metoda płynu nadkrytycznego

W jaki sposób można syntetyzować materiały o wyraźnie określonej strukturze porowatej przy użyciu wyłącznie wody i dwutlenku węgla, bez konieczności stosowania lotnych rozpuszczalników organicznych, oferując tym samym szerokie perspektywy zastosowań? Usunięcie fazy kropelkowej jest proste, ponieważ po obniżeniu ciśnienia dwutlenek węgla powraca do stanu gazowego. Płyny nadkrytyczne, które nie są ani gazami, ani cieczami, można stopniowo sprężać od niskiej do dużej gęstości. Dlatego płyny nadkrytyczne mają kluczowe znaczenie jako przestrajalne rozpuszczalniki i media reakcyjne w procesach chemicznych. Technologia płynów nadkrytycznych jest ważną metodą syntezy i przetwarzania hierarchicznych materiałów porowatych.

Semicorex oferuje wysoką jakośćrozwiązania grafitowedo procesów półprzewodnikowych. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com