Materiale carbonice poroase ierarhice: sinteză și introducere

Ierarhicmateriale poroase, care posedă structuri de pori pe mai multe niveluri - macropori (diametru > 50 nm), mezopori (2-50 nm) și micropori (<2 nm) - prezintă suprafețe specifice mari, raporturi mari de volum al porilor, permeabilitate îmbunătățită, caracteristici de transfer de masă scăzute , și capacități substanțiale de stocare. Aceste atribute au condus la adoptarea lor pe scară largă în diferite domenii, inclusiv cataliză, adsorbție, separare, energie și științe ale vieții, prezentând performanțe superioare față de materialele poroase mai simple.

Inspirându-se din natură

Multe modele de materiale poroase ierarhice sunt inspirate din structuri naturale. Aceste materiale pot îmbunătăți transferul de masă, pot permite permeabilitatea selectivă, pot crea medii hidrofil-hidrofobe semnificative și pot modula proprietățile optice ale materialelor.

Strategii de sintetizare ierarhicăMateriale poroase

1. Metoda de modelare a surfactantului

Cum putem folosi surfactanții pentru a forma materiale mezoporoase ierarhice? Folosirea a doi surfactanți de dimensiuni moleculare diferite ca șabloane este o strategie simplă. Agregatele moleculare autoasamblate sau ansamblurile supramoleculare au fost utilizate ca agenți de direcție a structurii pentru construirea structurilor poroase. Prin controlarea atentă a separării fazelor, structurile ierarhice ale porilor pot fi sintetizate folosind șablonul dublu de surfactant.

În soluțiile apoase de surfactant diluat, reducerea contactului lanțului de hidrocarburi cu apa scade energia liberă a sistemului. Hidrofilia grupelor terminale de surfactant determină tipul, dimensiunea și alte caracteristici ale agregatelor formate de multe molecule de surfactant. CMC a soluțiilor apoase de surfactant este legată de structura chimică a surfactantului, de temperatură și/sau de cosolvenți utilizați în sistem.

Gelurile de silice mezoporoase bimodale sunt preparate folosind soluții care conțin copolimeri bloc (KLE, SE sau F127) și agenți tensioactivi mai mici (IL, CTAB sau P123).

2. Metoda de replicare

Care este abordarea clasică a sintetizăriimateriale carbonice poroase? Procedura generală de replicare a șablonului pentru carbonul poros implică prepararea unui compozit precursor de carbon/șablon anorganic, carbonizare și îndepărtarea ulterioară a matriței anorganice. Această metodă poate fi împărțită în două categorii. Prima categorie implică încorporarea șabloanelor anorganice în precursorul de carbon, cum ar fi nanoparticulele de silice. După carbonizare și îndepărtarea șablonului, materialele de carbon poroase rezultate au pori izolați ocupați inițial de speciile șablon. A doua metodă introduce precursorul de carbon în porii șablon. Materialele de carbon poroase generate după carbonizare și îndepărtarea șablonului posedă structuri poroase interconectate.

3. Metoda Sol-Gel

Cum se utilizează metoda sol-gel pentru a sintetiza materiale poroase ierarhice? Începe cu formarea unei suspensii de particule coloidale (sol), urmată de formarea unui gel compus din particule de sol agregate. Tratamentul termic al gelului dă materialul și morfologia dorite, cum ar fi pulberi, fibre, filme și monoliți. Precursorii sunt de obicei compuși organici metalici, cum ar fi alcoxizi, alcoxizi chelați sau săruri metalice precum clorurile, sulfații și nitrații metalici. Hidroliza inițială a alcoxizilor sau deprotonarea moleculelor de apă coordonate duce la formarea grupărilor hidroxil reactive, care apoi sunt supuse proceselor de condensare pentru a forma oligomeri ramificați, polimeri, nuclee cu schelet de oxid de metal și grupări hidroxil și alcoxid reziduale reactive.

4. Metoda post-tratament

Ce metode de post-tratare sunt folosite pentru prepararea materialelor poroase ierarhice prin introducerea de pori secundari? Aceste metode se împart în general în trei categorii. Prima categorie presupune altoirea suplimentarămateriale poroasepe materialul poros original. Al doilea implică gravarea chimică sau leșierea materialului poros original pentru a obține pori suplimentari. Al treilea implică asamblarea sau aranjarea precursorilor materialelor poroase (de obicei nanoparticule) folosind metode chimice sau fizice (cum ar fi depunerea multistrat și imprimarea cu jet de cerneală) pentru a crea pori noi. Avantajele semnificative ale post-tratamentului sunt: ​​(i) capacitatea de a proiecta diverse funcționalități pentru a satisface diferite cerințe; (ii) capacitatea de a obține o varietate de structuri pentru a proiecta modele și morfologii organizate; (iii) capacitatea de a combina diferite tipuri de pori pentru a extinde aplicațiile dorite.

5. Metoda de modelare a emulsiei

Cum poate ajusta faza uleioasă sau faza apei într-o emulsie să formeze structuri ierarhice cu dimensiuni ale porilor variind de la nanometri la micrometri? Precursorii se solidifică în jurul picăturilor, iar apoi solvenții sunt îndepărtați prin evaporare, rezultând materiale poroase. În cele mai multe cazuri, apa este unul dintre solvenți. Emulsiile pot fi formate prin dispersarea picăturilor de apă în faza uleioasă, cunoscută sub numele de „emulsii apă în ulei (W/O)” sau prin dispersarea picăturilor de ulei în apă, cunoscută sub numele de „ulei în apă (O/W) emulsii”.

Pentru a fabrica polimeri poroși cu suprafețe hidrofile, emulsiile W/O sunt utilizate pe scară largă pentru a-și ajusta structurile poroase hidrofobe. Pentru a spori hidrofilicitatea, la monomerii nefuncționalizabili (cum ar fi stirenul) se adaugă în emulsie copolimeri funcționalizabili (cum ar fi clorura de vinil benzii). Prin ajustarea dimensiunilor picăturilor, ierarhicmateriale poroasecu porozităţi interconectate şi diametre continue ale porilor se pot obţine.

6. Metoda de sinteză a zeolitului

Cum pot strategiile de sinteză a zeolitului, combinate cu alte strategii de sinteză, să genereze materiale poroase ierarhice? Strategiile de creștere excesivă bazate pe controlul separării fazelor în timpul sintezei zeoliților pot fi utilizate pentru a obține zeoliți bi-microporoși cu structuri ierarhice miez/cochilie, care pot fi împărțite în trei tipuri. Primul tip implică creșterea excesivă prin miezuri izomorfe (cum ar fi ZSM-5/silicalit-1), unde cristalele de miez acționează ca agenți de direcție a structurii. Al doilea tip este creșterea epitaxială, cum ar fi tipurile de zeolit ​​LTA/FAU, care implică aceleași unități de construcție cu aranjamente spațiale diferite. În această metodă, din cauza creșterii excesive selective a straturilor de zeolit, acoperirea poate fi efectuată numai pe anumite fețe de cristal specifice. Al treilea tip este creșterea excesivă pe diferiți zeoliți, cum ar fi tipurile FAU/MAZ, BEA/MFI și MFI/AFI. Acești zeoliți sunt alcătuiți în întregime din diferite structuri de zeoliți, având astfel caracteristici chimice și structurale distincte.

7. Metoda de modelare a cristalelor coloidale

Cum se fabrică metoda de șablon cu cristale coloidale, în comparație cu alte metode, materiale cu structuri periodice ordonate ale porilor într-un interval de dimensiuni mai mare? Porozitatea generată folosind această metodă este o replică directă a matricei periodice de particule coloidale uniforme utilizate ca șabloane dure, ceea ce face mai ușor să construiți niveluri de dimensiune ierarhice în comparație cu alte metode de șablonare. Utilizarea șabloanelor de cristal coloidal poate produce porozitate suplimentară dincolo de golurile coloidale asamblate.

Sunt ilustrați etapele de bază ale modelării cristalelor coloidale, inclusiv formarea șabloanelor de cristale coloidale, infiltrarea precursorilor și îndepărtarea șablonului. În general, pot fi generate atât structuri de șablon de suprafață, cât și de volum. Structurile macroporoase ordonate tridimensionale (3DOM) generate prin modelarea suprafeței prezintă rețele interconectate de „baloane” și rețele de tip strut.

8. Metoda de bio-şabloane

Cum sunt ierarhicemateriale poroasefabricat prin strategii biomimetice care reproduc direct materiale naturale sau procese spontane de asamblare? Ambele metode pot fi definite ca procese bio-inspirate.

O mare varietate de materiale naturale cu structuri poroase ierarhice pot fi utilizate direct ca bio-șabloane datorită costului lor scăzut și ecologic. Printre aceste materiale, au fost raportate fire bacteriene, frustule de diatomee, membrane de coajă de ou, aripi de insecte, boabe de polen, frunze de plante, celuloză de lemn, agregate proteice, mătase de păianjen, diatomee și alte organisme.

9. Metoda de modelare a polimerului

Cum pot fi folosite structurile polimerice cu macropori ca șabloane pentru fabricarea materialelor poroase ierarhice? Polimerii macroporoși pot acționa ca schele, cu reacții chimice sau infiltrații de nanoparticule care au loc în jurul sau în interiorul lor, ghidând morfologia materialului. După ce polimerul este îndepărtat, materialul păstrează caracteristicile structurale ale șablonului original.

10. Metoda fluidului supercritic

Cum pot fi sintetizate materiale cu structuri poroase bine definite folosind doar apă și dioxid de carbon, fără a fi nevoie de solvenți organici volatili, oferind astfel perspective largi de aplicare? Îndepărtarea fazei picăturilor este simplă, deoarece dioxidul de carbon revine la starea gazoasă la depresurizare. Fluidele supercritice, care nu sunt nici gaze, nici lichide, pot fi comprimate treptat de la densități mici la mari. Prin urmare, fluidele supercritice sunt cruciale ca solvenți reglabili și medii de reacție în procesele chimice. Tehnologia fluidelor supercritice este o metodă importantă pentru sintetizarea și prelucrarea materialelor poroase ierarhice.

Semicorex oferă calitate înaltăsoluții de grafitpentru procesele semiconductoare. Dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați.

Numărul de telefon de contact +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com