Ієрархічні пористі вуглецеві матеріали: синтез та вступ

Ієрархічнийпористі матеріали, що має багаторівневу структуру пор — макропори (діаметр > 50 нм), мезопори (2-50 нм) і мікропори (<2 нм) — демонструють високу питому поверхню, високе співвідношення об’ємів пор, підвищену проникність, низькі характеристики масообміну , а також значні обсяги зберігання. Ці властивості призвели до їх широкого застосування в різних галузях, включаючи каталіз, адсорбцію, розділення, енергетику та науки про життя, демонструючи кращу продуктивність порівняно з простішими пористими матеріалами.

Черпаючи натхнення у природи

Багато дизайнів ієрархічних пористих матеріалів навіяні природними структурами. Ці матеріали можуть підвищувати масообмін, уможливлювати вибіркове проникнення, створювати значні гідрофільно-гідрофобні середовища та модулювати оптичні властивості матеріалів.

Стратегії синтезу ієрархічногоПористі матеріали

1. Метод шаблону поверхнево-активної речовини

Як ми можемо використовувати поверхнево-активні речовини для формування ієрархічних мезопористих матеріалів? Використання двох поверхнево-активних речовин з різними молекулярними розмірами як шаблонів є простою стратегією. Поверхнево-активні самоорганізовані молекулярні агрегати або супрамолекулярні агрегати використовувалися як агенти, що направляють структуру, для побудови пористих структур. Ретельно контролюючи поділ фаз, можна синтезувати ієрархічні пористі структури за допомогою шаблону подвійної поверхнево-активної речовини.

У розведених водних розчинах поверхнево-активних речовин зменшення контакту вуглеводневого ланцюга з водою зменшує вільну енергію системи. Гідрофільність кінцевих груп ПАР визначає тип, розмір та інші характеристики агрегатів, утворених багатьма молекулами ПАР. CMC водних розчинів поверхнево-активної речовини пов’язана з хімічною структурою поверхнево-активної речовини, температурою та/або співрозчинниками, що використовуються в системі.

Бімодальні мезопористі силікагелі готують з використанням розчинів, що містять блок-сополімери (KLE, SE або F127) і менші поверхнево-активні речовини (IL, CTAB або P123).

2. Метод реплікації

Що таке класичний підхід до синтезупористі вуглецеві матеріали? Загальна процедура реплікації шаблону для пористого вуглецю включає підготовку композиту прекурсор вуглецю/неорганічний шаблон, карбонізацію та подальше видалення неорганічного шаблону. Цей метод можна розділити на дві категорії. Перша категорія включає вбудовування неорганічних шаблонів у вуглецевий попередник, наприклад наночастинки кремнезему. Після карбонізації та видалення шаблону отримані пористі вуглецеві матеріали мають ізольовані пори, спочатку зайняті типом шаблону. Другий метод вводить попередник вуглецю в пори шаблону. Пористі вуглецеві матеріали, що утворюються після карбонізації та видалення шаблону, мають взаємопов’язані пористі структури.

3. Золь-гель метод

Як золь-гель метод використовується для синтезу ієрархічних пористих матеріалів? Він починається з утворення колоїдної суспензії частинок (золю), після чого утворюється гель, що складається з агрегованих частинок золю. Термічна обробка гелю дає бажаний матеріал і морфологію, наприклад, порошки, волокна, плівки та моноліти. Попередниками зазвичай є органічні сполуки металів, такі як алкоксиди, хелатні алкоксиди або солі металів, такі як хлориди, сульфати та нітрати металів. Початковий гідроліз алкоксидів або депротонування координованих молекул води призводить до утворення реакційноздатних гідроксильних груп, які потім піддаються процесам конденсації з утворенням розгалужених олігомерів, полімерів, ядер з металооксидним скелетом і реакційноздатними залишковими гідроксильними та алкоксидними групами.

4. Метод доопрацювання

Які методи додаткової обробки використовуються для отримання ієрархічних пористих матеріалів шляхом введення вторинних пор? Зазвичай ці методи поділяються на три категорії. Перша категорія передбачає щеплення доппористі матеріалина вихідний пористий матеріал. Другий передбачає хімічне травлення або вилуговування вихідного пористого матеріалу для отримання додаткових пор. Третій передбачає збирання або впорядкування прекурсорів пористих матеріалів (зазвичай наночастинок) за допомогою хімічних або фізичних методів (таких як багатошарове осадження та струменевий друк) для створення нових пор. Значними перевагами пост-обробки є: (i) можливість проектувати різні функціональні можливості для задоволення різних вимог; (ii) здатність отримувати різноманітні структури для створення організованих візерунків і морфологій; (iii) здатність поєднувати різні типи пор для розширення бажаних застосувань.

5. Метод створення емульсії

Як регулювання масляної або водної фази в емульсії може сформувати ієрархічні структури з розмірами пор від нанометрів до мікрометрів? Попередники твердіють навколо крапель, а потім розчинники видаляються шляхом випаровування, у результаті чого утворюються пористі матеріали. У більшості випадків вода є одним із розчинників. Емульсії можуть утворюватися диспергуванням крапель води в масляній фазі, відомі як «емульсії вода-в-маслі (W/O)», або шляхом диспергування крапель олії у воді, відомі як «олія-у-воді (O/W) емульсії».

Для виробництва пористих полімерів з гідрофільними поверхнями широко використовуються емульсії W/O для регулювання їх гідрофобних пористих структур. Щоб підвищити гідрофільність, до мономерів, що не функціоналізуються (таких як стирол) в емульсії, додають сополімери, що функціоналізують (такі як вінілбензилхлорид). Шляхом регулювання розмірів крапель, ієрархічнийпористі матеріалиіз взаємопов’язаною пористістю та безперервним діаметром пор можна отримати.

6. Метод синтезу цеоліту

Як стратегії синтезу цеоліту в поєднанні з іншими стратегіями синтезу можуть створювати ієрархічні пористі матеріали? Стратегії надмірного росту, засновані на контролі поділу фаз під час синтезу цеоліту, можуть бути використані для отримання бімікропористих цеолітів з ієрархічною структурою ядро/оболонка, які можна розділити на три типи. Перший тип передбачає надмірне зростання через ізоморфні ядра (такі як ZSM-5/силікаліт-1), де кристали ядра діють як агенти, що направляють структуру. Другий тип — це епітаксійне вирощування, наприклад типи цеолітів LTA/FAU, що включає однакові будівельні одиниці з різним просторовим розташуванням. У цьому методі через селективне наростання шарів цеоліту покриття можна наносити лише на певні конкретні кристалічні грані. Третій тип — надмірне зростання на різних цеолітах, таких як FAU/MAZ, BEA/MFI та MFI/AFI. Ці цеоліти повністю складаються з цеолітів різних структур, тому мають різні хімічні та структурні характеристики.

7. Метод формування колоїдних кристалів

Як метод темплатування колоїдних кристалів, порівняно з іншими методами, дозволяє виробляти матеріали з упорядкованою періодичною структурою пор у більшому діапазоні розмірів? Пористість, створена за допомогою цього методу, є прямою копією періодичного масиву однорідних колоїдних частинок, які використовуються як тверді шаблони, що полегшує побудову ієрархічних рівнів розміру порівняно з іншими методами шаблонування. Використання колоїдних кристалічних шаблонів може дати додаткову пористість за межі зібраних колоїдних пустот.

Проілюстровано основні етапи шаблонування колоїдних кристалів, включаючи формування шаблонів колоїдних кристалів, інфільтрацію прекурсорів і видалення шаблонів. Як правило, можуть бути створені як поверхневі, так і об’ємні шаблонні структури. Тривимірні впорядковані макропористі (3DOM) структури, створені за допомогою поверхневих шаблонів, мають взаємопов’язані «повітряні» та подібні до опор мережі мережі.

8. Метод біошаблонування

Як ієрархічніпористі матеріаливиготовлені за допомогою біоміметичних стратегій, які безпосередньо відтворюють природні матеріали або процеси спонтанного складання? Обидва методи можна визначити як біоінспіровані процеси.

Безпосередньо як біошаблони можна використовувати різноманітні природні матеріали з ієрархічною пористою структурою завдяки їх дешевизні та екологічності. Серед цих матеріалів були виявлені бактеріальні нитки, струнки діатомових водоростей, мембрани яєчної шкаралупи, крила комах, пилкові зерна, листя рослин, деревна целюлоза, білкові агрегати, павутинний шовк, діатомові водорості та інші організми.

9. Метод полімерного шаблону

Як полімерні структури з макропорами можна використовувати як шаблони для виготовлення ієрархічних пористих матеріалів? Макропористі полімери можуть діяти як каркаси з хімічними реакціями або проникненням наночастинок, що відбуваються навколо або всередині них, керуючи морфологією матеріалу. Після видалення полімеру матеріал зберігає структурні характеристики вихідного шаблону.

10. Метод надкритичної рідини

Як можна синтезувати матеріали з чітко визначеною пористою структурою, використовуючи лише воду та вуглекислий газ, без потреби в летких органічних розчинниках, що пропонує широкі перспективи застосування? Видалення краплинної фази є простим, оскільки вуглекислий газ повертається до газоподібного стану після зниження тиску. Надкритичні рідини, які не є ні газами, ні рідинами, можна поступово стискати від низької до високої густини. Тому надкритичні рідини мають вирішальне значення як регульовані розчинники та реакційні середовища в хімічних процесах. Надкритична рідинна технологія є важливим методом для синтезу та обробки ієрархічних пористих матеріалів.

Semicorex пропонує високу якістьрозчини графітудля напівпровідникових процесів. Якщо у вас є запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com