Hierarchické porézne uhlíkové materiály: Syntéza a úvod

Hierarchickýporéznych materiálovs viacúrovňovými štruktúrami pórov – makropóry (priemer > 50 nm), mezopóry (2 – 50 nm) a mikropóry (< 2 nm) – vykazujú vysoké špecifické plochy povrchu, vysoké pomery objemu pórov, zvýšenú permeabilitu, nízke charakteristiky prenosu hmoty a značné skladovacie kapacity. Tieto atribúty viedli k ich širokému rozšíreniu v rôznych oblastiach, vrátane katalýzy, adsorpcie, separácie, energetiky a biologických vied, čo predstavuje vynikajúci výkon v porovnaní s jednoduchšími poréznymi materiálmi.

Kreslenie inšpirácie z prírody

Mnohé návrhy hierarchických poréznych materiálov sú inšpirované prírodnými štruktúrami. Tieto materiály môžu zvýšiť prenos hmoty, umožniť selektívnu permeáciu, vytvoriť významné hydrofilno-hydrofóbne prostredie a modulovať optické vlastnosti materiálov.

Stratégie pre syntézu hierarchiePorézne materiály

1. Metóda templátovania povrchovo aktívnej látky

Ako môžeme použiť povrchovo aktívne látky na vytvorenie hierarchických mezoporéznych materiálov? Použitie dvoch povrchovo aktívnych látok rôznych molekúl ako templátov je jednoduchá stratégia. Povrchovo aktívne molekulové agregáty alebo supramolekulové agregáty sa používajú ako činidlá na riadenie štruktúry na vytváranie poréznych štruktúr. Starostlivým riadením fázovej separácie je možné syntetizovať hierarchické štruktúry pórov s použitím dvojitej šablóny povrchovo aktívnej látky.

V zriedených vodných roztokoch povrchovo aktívnych látok zníženie kontaktu uhľovodíkového reťazca s vodou znižuje voľnú energiu systému. Hydrofilnosť koncových skupín povrchovo aktívnej látky určuje typ, veľkosť a ďalšie charakteristiky agregátov tvorených mnohými molekulami povrchovo aktívnej látky. CMC vodných roztokov povrchovo aktívnej látky súvisí s chemickou štruktúrou povrchovo aktívnej látky, teplotou a/alebo spolurozpúšťadlami použitými v systéme.

Bimodálne mezoporézne silikagély sa pripravujú pomocou roztokov obsahujúcich blokové kopolyméry (KLE, SE alebo F127) a menšie povrchovo aktívne látky (IL, CTAB alebo P123).

2. Metóda replikácie

Aký je klasický prístup k syntézeporézne uhlíkové materiály? Všeobecný postup replikácie templátu pre porézny uhlík zahŕňa prípravu kompozitu uhlíkový prekurzor/anorganický templát, karbonizáciu a následné odstránenie anorganického templátu. Túto metódu možno rozdeliť do dvoch kategórií. Prvá kategória zahŕňa vloženie anorganických templátov do uhlíkového prekurzora, ako sú nanočastice oxidu kremičitého. Po karbonizácii a odstránení templátu majú výsledné porézne uhlíkové materiály izolované póry pôvodne obsadené templátovými druhmi. Druhá metóda zavádza uhlíkový prekurzor do templátových pórov. Pórovité uhlíkové materiály vytvorené po karbonizácii a odstránení templátu majú vzájomne prepojené štruktúry pórov.

3. Sol-Gélová metóda

Ako sa metóda sol-gel používa na syntézu hierarchických poréznych materiálov? Začína sa tvorbou suspenzie koloidných častíc (sol), po ktorej nasleduje tvorba gélu zloženého z agregovaných častíc sólu. Tepelné spracovanie gélu poskytuje požadovaný materiál a morfológiu, ako sú prášky, vlákna, filmy a monolity. Prekurzory sú typicky kovové organické zlúčeniny, ako sú alkoxidy, chelátované alkoxidy alebo soli kovov, ako sú chloridy, sírany a dusičnany kovov. Počiatočná hydrolýza alkoxidov alebo deprotonácia koordinovaných molekúl vody vedie k tvorbe reaktívnych hydroxylových skupín, ktoré následne podliehajú kondenzačným procesom za vzniku rozvetvených oligomérov, polymérov, jadier so skeletom oxidu kovu a reaktívnych zvyškových hydroxylových a alkoxidových skupín.

4. Metóda po ošetrení

Aké metódy dodatočnej úpravy sa používajú na prípravu hierarchických poréznych materiálov zavedením sekundárnych pórov? Tieto metódy vo všeobecnosti spadajú do troch kategórií. Prvá kategória zahŕňa ďalšie štepenieporéznych materiálovna pôvodný porézny materiál. Druhý zahŕňa chemické leptanie alebo vylúhovanie pôvodného porézneho materiálu na získanie ďalších pórov. Tretia zahŕňa zostavenie alebo usporiadanie prekurzorov poréznych materiálov (zvyčajne nanočastíc) pomocou chemických alebo fyzikálnych metód (ako je viacvrstvové nanášanie a atramentová tlač) na vytvorenie nových pórov. Významné výhody dodatočnej úpravy sú: (i) schopnosť navrhnúť rôzne funkcie na splnenie rôznych požiadaviek; (ii) schopnosť získať rôzne štruktúry na navrhovanie organizovaných vzorov a morfológií; (iii) schopnosť kombinovať rôzne typy pórov na rozšírenie požadovaných aplikácií.

5. Metóda šablónovania emulzie

Ako môže úprava olejovej fázy alebo vodnej fázy v emulzii vytvoriť hierarchické štruktúry s veľkosťou pórov v rozsahu od nanometrov po mikrometre? Prekurzory tuhnú okolo kvapiek a potom sa rozpúšťadlá odstránia odparovaním, čo vedie k poréznym materiálom. Vo väčšine prípadov je voda jedným z rozpúšťadiel. Emulzie môžu byť vytvorené dispergovaním kvapôčok vody v olejovej fáze, známej ako „emulzie voda v oleji (V/O), alebo dispergovaním kvapôčok oleja vo vode, známej ako „olej vo vode (O/W) emulzie."

Na výrobu poréznych polymérov s hydrofilnými povrchmi sa vo veľkej miere používajú emulzie V/O na úpravu ich hydrofóbnych poréznych štruktúr. Na zvýšenie hydrofilnosti sa k nefunkcionalizovateľným monomérom (ako je styrén) v emulzii pridávajú funkcionalizované kopolyméry (ako je vinylbenzylchlorid). Úpravou veľkostí kvapiek, hierarchickyporéznych materiálovs prepojenými pórovitosťami a súvislými priemermi pórov.

6. Spôsob syntézy zeolitov

Ako môžu stratégie syntézy zeolitov v kombinácii s inými stratégiami syntézy vytvárať hierarchické porézne materiály? Stratégie prerastania založené na riadení separácie fáz počas syntézy zeolitov sa môžu použiť na získanie bimikroporéznych zeolitov s hierarchickou štruktúrou jadro/obal, ktoré možno rozdeliť do troch typov. Prvý typ zahŕňa prerastanie cez izomorfné jadrá (ako je ZSM-5/silicalit-1), kde kryštály jadra pôsobia ako činidlá usmerňujúce štruktúru. Druhým typom je epitaxný rast, ako sú zeolitové typy LTA/FAU, zahŕňajúce rovnaké stavebné jednotky s rôznym priestorovým usporiadaním. Pri tejto metóde, v dôsledku selektívneho prerastania zeolitových vrstiev, môže byť poťahovanie uskutočnené len na určitých špecifických kryštálových plochách. Tretím typom je prerastanie na rôznych zeolitoch, ako sú typy FAU/MAZ, BEA/MFI a MFI/AFI. Tieto zeolity sa skladajú výlučne z rôznych zeolitových štruktúr, a teda majú odlišné chemické a štruktúrne vlastnosti.

7. Spôsob templátovania koloidných kryštálov

Ako metóda šablónovania koloidných kryštálov v porovnaní s inými metódami vyrába materiály s usporiadanými, periodickými štruktúrami pórov vo väčšom rozsahu veľkostí? Pórovitosť generovaná pomocou tejto metódy je priamou replikou periodického poľa rovnomerných koloidných častíc používaných ako tvrdé šablóny, čo uľahčuje zostavenie úrovní hierarchickej veľkosti v porovnaní s inými metódami šablónovania. Použitie koloidných kryštálových templátov môže poskytnúť dodatočnú pórovitosť za zmontovanými koloidnými dutinami.

Sú znázornené základné kroky templátovania koloidných kryštálov, vrátane tvorby templátov koloidných kryštálov, infiltrácie prekurzorov a odstraňovania templátov. Vo všeobecnosti možno generovať štruktúry povrchových aj objemových šablón. Trojrozmerné usporiadané makroporézne (3DOM) štruktúry generované prostredníctvom povrchovej šablóny majú vzájomne prepojené „balónové“ a vzperové siete.

8. Metóda bio-templating

Ako sú hierarchicképoréznych materiálovvyrobené prostredníctvom biomimetických stratégií, ktoré priamo replikujú prírodné materiály alebo spontánne montážne procesy? Obidve metódy možno definovať ako bioinšpirované procesy.

Široká škála prírodných materiálov s hierarchickou poréznou štruktúrou môže byť použitá priamo ako bio-šablóny vďaka ich nízkej cene a šetrnosti k životnému prostrediu. Medzi týmito materiálmi boli hlásené bakteriálne vlákna, rozsievky, membrány vaječných škrupín, krídla hmyzu, peľové zrná, listy rastlín, drevná celulóza, proteínové agregáty, pavúčí hodváb, rozsievky a iné organizmy.

9. Metóda šablónovania polyméru

Ako možno polymérne štruktúry s makropórmi použiť ako šablóny na výrobu hierarchických poréznych materiálov? Makroporézne polyméry môžu pôsobiť ako lešenia, pričom okolo nich alebo v nich prebiehajú chemické reakcie alebo infiltrácia nanočastíc, ktoré riadia morfológiu materiálu. Po odstránení polyméru si materiál zachová štrukturálne charakteristiky pôvodnej šablóny.

10. Superkritická kvapalinová metóda

Ako je možné syntetizovať materiály s dobre definovanou poréznou štruktúrou iba s použitím vody a oxidu uhličitého bez potreby prchavých organických rozpúšťadiel, čím sa ponúkajú široké možnosti použitia? Odstránenie kvapôčkovej fázy je jednoduché, pretože oxid uhličitý sa po odtlakovaní vráti do plynného stavu. Nadkritické tekutiny, ktoré nie sú ani plyny ani kvapaliny, sa môžu postupne stláčať z nízkej na vysokú hustotu. Preto sú superkritické tekutiny rozhodujúce ako laditeľné rozpúšťadlá a reakčné médiá v chemických procesoch. Technológia superkritických tekutín je dôležitou metódou na syntézu a spracovanie hierarchických poréznych materiálov.

Semicorex ponúka vysokú kvalitugrafitové roztokypre polovodičové procesy. Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktné telefónne číslo +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com