Hierarhični porozni ogljikovi materiali: sinteza in uvod

Hierarhičnoporozni materiali, ki imajo strukturo por na več ravneh – makropore (premer > 50 nm), mezopore (2–50 nm) in mikropore (<2 nm) – kažejo visoke specifične površine, visoka razmerja prostornine por, izboljšano prepustnost, nizke značilnosti prenosa mase , in znatne zmogljivosti za shranjevanje. Ti atributi so privedli do njihove široke uporabe na različnih področjih, vključno s katalizo, adsorpcijo, ločevanjem, energijo in znanostmi o življenju, pri čemer prikazujejo vrhunsko učinkovitost v primerjavi s preprostejšimi poroznimi materiali.

Črpanje navdiha iz narave

Številni dizajni hierarhičnih poroznih materialov se zgledujejo po naravnih strukturah. Ti materiali lahko izboljšajo prenos mase, omogočijo selektivno prepustnost, ustvarijo pomembna hidrofilno-hidrofobna okolja in modulirajo optične lastnosti materialov.

Strategije za sintezo hierarhičnihPorozni materiali

1. Metoda šablone površinsko aktivne snovi

Kako lahko uporabimo površinsko aktivne snovi za oblikovanje hierarhičnih mezoporoznih materialov? Uporaba dveh površinsko aktivnih snovi različnih velikosti molekul kot predlog je enostavna strategija. Površinsko aktivni samosestavljeni molekularni agregati ali supramolekularni sklopi so bili uporabljeni kot sredstva za usmerjanje strukture za gradnjo poroznih struktur. S skrbnim nadzorom ločevanja faz je mogoče sintetizirati hierarhične strukture por z uporabo dvojne površinsko aktivne snovi.

V razredčenih vodnih raztopinah površinsko aktivnih snovi zmanjšanje stika verige ogljikovodikov z vodo zmanjša prosto energijo sistema. Hidrofilnost končnih skupin površinsko aktivnih snovi določa vrsto, velikost in druge značilnosti agregatov, ki jih tvorijo številne molekule površinsko aktivnih snovi. CMC vodnih raztopin površinsko aktivnih snovi je povezana s kemijsko strukturo površinsko aktivnih snovi, temperaturo in/ali sotopili, uporabljenimi v sistemu.

Bimodalni mezoporozni silikageli so pripravljeni z uporabo raztopin, ki vsebujejo blok kopolimere (KLE, SE ali F127) in manjše površinsko aktivne snovi (IL, CTAB ali P123).

2. Metoda replikacije

Kakšen je klasični pristop k sintetiziranjuporozni ogljikovi materiali? Splošni postopek podvajanja šablone za porozni ogljik vključuje pripravo kompozita prekurzorja ogljika/anorganske šablone, karbonizacijo in kasnejšo odstranitev anorganske šablone. To metodo lahko razdelimo v dve kategoriji. Prva kategorija vključuje vdelavo anorganskih predlog v prekurzor ogljika, kot so nanodelci silicijevega dioksida. Po karbonizaciji in odstranitvi predloge imajo nastali porozni ogljikovi materiali izolirane pore, ki so jih sprva zasedle vrste predloge. Druga metoda uvaja prekurzor ogljika v pore predloge. Porozni ogljikovi materiali, ki nastanejo po karbonizaciji in odstranitvi predloge, imajo med seboj povezane strukture por.

3. Sol-gel metoda

Kako se sol-gel metoda uporablja za sintezo hierarhičnih poroznih materialov? Začne se s tvorbo koloidne suspenzije delcev (sol), čemur sledi tvorba gela, sestavljenega iz agregiranih delcev sola. Termična obdelava gela daje želeni material in morfologijo, kot so prah, vlakna, filmi in monoliti. Prekurzorji so običajno kovinske organske spojine, kot so alkoksidi, kelirani alkoksidi ali kovinske soli, kot so kovinski kloridi, sulfati in nitrati. Začetna hidroliza alkoksidov ali deprotonacija koordiniranih molekul vode vodi do tvorbe reaktivnih hidroksilnih skupin, ki so nato podvržene kondenzacijskim procesom, da tvorijo razvejane oligomere, polimere, jedra s kovinsko oksidnim skeletom in reaktivne preostale hidroksilne in alkoksidne skupine.

4. Metoda naknadne obdelave

Katere metode naknadne obdelave se uporabljajo za pripravo hierarhičnih poroznih materialov z uvedbo sekundarnih por? Te metode na splošno spadajo v tri kategorije. Prva kategorija vključuje dodatno cepljenjeporozni materialina prvotni porozni material. Drugi vključuje kemično jedkanje ali izpiranje prvotnega poroznega materiala za pridobitev dodatnih por. Tretja vključuje sestavljanje ali razporejanje predhodnikov poroznih materialov (običajno nanodelcev) z uporabo kemičnih ali fizikalnih metod (kot je večplastno nanašanje in brizgalno tiskanje) za ustvarjanje novih por. Pomembne prednosti naknadne obdelave so: (i) možnost oblikovanja različnih funkcij za izpolnjevanje različnih zahtev; (ii) sposobnost pridobivanja različnih struktur za oblikovanje organiziranih vzorcev in morfologij; (iii) zmožnost kombiniranja različnih vrst por za razširitev želenih aplikacij.

5. Metoda emulzijske šablone

Kako lahko prilagajanje oljne ali vodne faze v emulziji tvori hierarhične strukture z velikostjo por od nanometrov do mikrometrov? Prekurzorji se strdijo okoli kapljic, nato pa se topila odstranijo z izhlapevanjem, kar povzroči porozne materiale. V večini primerov je voda eno od topil. Emulzije lahko nastanejo z razprševanjem vodnih kapljic v oljni fazi, znane kot "emulzije voda v olju (W/O)" ali z razprševanjem oljnih kapljic v vodi, znane kot "olje v vodi (O/W) emulzije."

Za izdelavo poroznih polimerov s hidrofilnimi površinami se W/O emulzije pogosto uporabljajo za prilagajanje njihovih hidrofobnih poroznih struktur. Za izboljšanje hidrofilnosti se nefunkcionalizirajočim monomerom (kot je stiren) v emulziji dodajo funkcionalizacijski kopolimeri (kot je vinil benzil klorid). S prilagajanjem velikosti kapljic, hierarhičnoporozni materializ medsebojno povezanimi poroznostmi in neprekinjenimi premeri por.

6. Metoda sinteze zeolita

Kako lahko strategije sinteze zeolita v kombinaciji z drugimi strategijami sinteze ustvarijo hierarhične porozne materiale? Strategije prekomerne rasti, ki temeljijo na nadzoru ločevanja faz med sintezo zeolita, se lahko uporabijo za pridobivanje bi-mikroporoznih zeolitov s hierarhično strukturo jedro/lupina, ki jih lahko razdelimo v tri vrste. Prvi tip vključuje prekomerno rast skozi izomorfna jedra (kot je ZSM-5/silikalit-1), kjer kristali jedra delujejo kot agenti za usmerjanje strukture. Druga vrsta je epitaksialna rast, kot so vrste zeolitov LTA/FAU, ki vključujejo iste gradbene enote z različnimi prostorskimi ureditvami. Pri tej metodi je zaradi selektivnega preraščanja zeolitnih plasti možno prevleko izvajati le na določenih specifičnih kristalnih ploskvah. Tretja vrsta je razraščanje na različnih zeolitih, kot so tipi FAU/MAZ, BEA/MFI in MFI/AFI. Ti zeoliti so v celoti sestavljeni iz različnih struktur zeolitov, zato imajo različne kemične in strukturne značilnosti.

7. Metoda šablon s koloidnimi kristali

Kako metoda koloidnega kristalnega templatiranja v primerjavi z drugimi metodami proizvaja materiale z urejenimi periodičnimi strukturami por v večjem razponu velikosti? Poroznost, ustvarjena s to metodo, je neposredna replika periodičnega niza enotnih koloidnih delcev, ki se uporabljajo kot trde predloge, zaradi česar je lažje konstruirati hierarhične nivoje velikosti v primerjavi z drugimi metodami šablon. Uporaba koloidnih kristalnih šablon lahko prinese dodatno poroznost, ki presega sestavljene koloidne praznine.

Ilustrirani so osnovni koraki koloidnih kristalnih šablon, vključno s tvorbo koloidnih kristalnih šablon, infiltracijo prekurzorja in odstranitvijo šablone. Na splošno je mogoče ustvariti tako površinske kot prostorninske predloge. Tridimenzionalne urejene makroporozne (3DOM) strukture, ustvarjene s površinskimi šablonami, imajo medsebojno povezana "balonska" in oporna omrežja.

8. Metoda bio-šablone

Kako so hierarhičniporozni materialiizdelani z biomimetičnimi strategijami, ki neposredno posnemajo naravne materiale ali spontane procese sestavljanja? Obe metodi lahko opredelimo kot bioinspirirana procesa.

Široko paleto naravnih materialov s hierarhično porozno strukturo je mogoče uporabiti neposredno kot biošablone zaradi njihove nizke cene in okolju prijaznosti. Med temi materiali so poročali o bakterijskih nitih, diatomejskih frustulah, membranah jajčne lupine, krilih žuželk, cvetnem prahu, rastlinskih listih, lesni celulozi, beljakovinskih agregatih, pajkovi svili, diatomejah in drugih organizmih.

9. Metoda šablone polimerov

Kako lahko polimerne strukture z makroporami uporabimo kot šablone za izdelavo hierarhičnih poroznih materialov? Makroporozni polimeri lahko delujejo kot ogrodje, s kemičnimi reakcijami ali infiltracijo nanodelcev, ki se pojavljajo okoli ali znotraj njih, in vodijo morfologijo materiala. Po odstranitvi polimera material ohrani strukturne značilnosti originalne predloge.

10. Metoda superkritične tekočine

Kako je mogoče sintetizirati materiale z dobro definirano porozno strukturo samo z uporabo vode in ogljikovega dioksida, brez potrebe po hlapnih organskih topilih, kar ponuja široke možnosti uporabe? Odstranitev kapljične faze je enostavna, ker se ogljikov dioksid po znižanju tlaka vrne v plinasto stanje. Superkritične tekočine, ki niso niti plini niti tekočine, je mogoče postopoma stisniti od nizke do visoke gostote. Zato so superkritični fluidi ključni kot nastavljiva topila in reakcijski mediji v kemičnih procesih. Tehnologija superkritičnih tekočin je pomembna metoda za sintezo in obdelavo hierarhičnih poroznih materialov.

Semicorex ponuja visoko kakovostgrafitne raztopineza polprevodniške procese. Če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktna telefonska številka +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com