Hierarkiske porøse kulstofmaterialer: syntese og introduktion

Hierarkiskporøse materialer, der har flere niveauer porestrukturer - makroporer (diameter > 50 nm), mesoporer (2-50 nm) og mikroporer (<2 nm) - udviser høje specifikke overfladearealer, høje porevolumenforhold, forbedret permeabilitet, lav masseoverførselskarakteristika og betydelig lagerkapacitet. Disse egenskaber har ført til deres udbredte anvendelse på tværs af forskellige områder, herunder katalyse, adsorption, separation, energi og biovidenskab, hvilket viser overlegen ydeevne i forhold til enklere porøse materialer.

Henter inspiration fra naturen

Mange designs af hierarkiske porøse materialer er inspireret af naturlige strukturer. Disse materialer kan forbedre masseoverførsel, muliggøre selektiv permeation, skabe betydelige hydrofile-hydrofobe miljøer og modulere materialers optiske egenskaber.

Strategier til at syntetisere hierarkiskePorøse materialer

1. Skabelonmetode for overfladeaktivt middel

Hvordan kan vi bruge overfladeaktive stoffer til at danne hierarkiske mesoporøse materialer? Anvendelse af to overfladeaktive stoffer af forskellig molekylstørrelse som skabeloner er en ligetil strategi. Overfladeaktive selvsamlede molekylære aggregater eller supramolekylære aggregater er blevet brugt som strukturstyrende midler til konstruktion af porøse strukturer. Ved omhyggeligt at kontrollere faseadskillelse kan hierarkiske porestrukturer syntetiseres ved hjælp af dobbelt overfladeaktivt middelskabelon.

I fortyndede overfladeaktive vandige opløsninger reducerer reduktionen af ​​kulbrintekædens kontakt med vand systemets frie energi. Hydrofiliciteten af ​​overfladeaktive endegrupper bestemmer typen, størrelsen og andre karakteristika af aggregaterne dannet af mange overfladeaktive molekyler. CMC for vandige overfladeaktive opløsninger er relateret til den kemiske struktur af det overfladeaktive middel, temperatur og/eller co-opløsningsmidler, der anvendes i systemet.

Bimodale mesoporøse silicageler fremstilles under anvendelse af opløsninger indeholdende blokcopolymerer (KLE, SE eller F127) og mindre overfladeaktive stoffer (IL, CTAB eller P123).

2. Replikationsmetode

Hvad er den klassiske tilgang til syntetiseringporøse kulstofmaterialer? Den generelle skabelonreplikationsprocedure for porøst carbon involverer fremstilling af en carbonprecursor/uorganisk skabelonkomposit, carbonisering og efterfølgende fjernelse af den uorganiske skabelon. Denne metode kan opdeles i to kategorier. Den første kategori involverer indlejring af uorganiske skabeloner i kulstofprækursoren, såsom silicananopartikler. Efter karbonisering og skabelonfjernelse har de resulterende porøse carbonmaterialer isolerede porer, der oprindeligt er optaget af skabelonarten. Den anden metode introducerer carbonprecursoren i skabelonporerne. De porøse carbonmaterialer, der dannes efter karbonisering og skabelonfjernelse, har indbyrdes forbundne porestrukturer.

3. Sol-Gel metode

Hvordan bruges sol-gel-metoden til at syntetisere hierarkiske porøse materialer? Det begynder med dannelsen af ​​en kolloid partikelsuspension (sol), efterfulgt af dannelsen af ​​en gel sammensat af aggregerede solpartikler. Termisk behandling af gelen giver det ønskede materiale og morfologi, såsom pulvere, fibre, film og monolitter. Forstadier er typisk metalorganiske forbindelser, såsom alkoxider, chelaterede alkoxider eller metalsalte som metalchlorider, sulfater og nitrater. Indledende hydrolyse af alkoxider eller deprotonering af koordinerede vandmolekyler fører til dannelsen af ​​reaktive hydroxylgrupper, som derefter gennemgår kondensationsprocesser for at danne forgrenede oligomerer, polymerer, kerner med et metaloxidskelet og reaktive resterende hydroxyl- og alkoxidgrupper.

4. Efterbehandlingsmetode

Hvilke efterbehandlingsmetoder bruges til at fremstille hierarkiske porøse materialer ved at indføre sekundære porer? Disse metoder falder generelt ind i tre kategorier. Den første kategori involverer podning yderligereporøse materialerpå det originale porøse materiale. Den anden involverer kemisk ætsning eller udvaskning af det originale porøse materiale for at opnå yderligere porer. Den tredje involverer at samle eller arrangere forstadier af porøse materialer (normalt nanopartikler) ved hjælp af kemiske eller fysiske metoder (såsom flerlagsdeponering og inkjet-print) for at skabe nye porer. De væsentlige fordele ved efterbehandling er: (i) evnen til at designe forskellige funktionaliteter, så de opfylder forskellige krav; (ii) evnen til at opnå en række forskellige strukturer til at designe organiserede mønstre og morfologier; (iii) evnen til at kombinere forskellige typer af porer for at udvide de ønskede anvendelser.

5. Emulsionsskabelonmetode

Hvordan kan justering af oliefasen eller vandfasen i en emulsion danne hierarkiske strukturer med porestørrelser fra nanometer til mikrometer? Forstadier størkner omkring dråber, og derefter fjernes opløsningsmidler gennem fordampning, hvilket resulterer i porøse materialer. I de fleste tilfælde er vand et af opløsningsmidlerne. Emulsioner kan dannes ved at dispergere vanddråber i oliefasen, kendt som "vand-i-olie (W/O) emulsioner", eller ved at dispergere oliedråber i vand, kendt som "olie-i-vand (O/W) emulsioner."

Til fremstilling af porøse polymerer med hydrofile overflader bruges W/O-emulsioner i vid udstrækning til at justere deres hydrofobe porøse strukturer. For at øge hydrofilicitet tilsættes funktionaliserbare copolymerer (såsom vinylbenzylchlorid) til ikke-funktionaliserbare monomerer (såsom styren) i emulsionen. Ved at justere dråbestørrelser, hierarkiskporøse materialermed indbyrdes forbundne porøsiteter og kontinuerlige porediametre kan opnås.

6. Zeolitsyntesemetode

Hvordan kan zeolitsyntesestrategier kombineret med andre syntesestrategier generere hierarkiske porøse materialer? Overvækststrategier baseret på faseadskillelseskontrol under zeolitsyntese kan bruges til at opnå bi-mikroporøse zeolitter med hierarkiske kerne/skalstrukturer, som kan opdeles i tre typer. Den første type involverer overvækst gennem isomorfe kerner (såsom ZSM-5/silicalite-1), hvor kernekrystaller fungerer som strukturstyrende midler. Den anden type er epitaksial vækst, såsom zeolit ​​LTA/FAU-typer, der involverer de samme bygningsenheder med forskellige rumlige arrangementer. I denne metode kan belægning på grund af selektiv overvækst af zeolitlag kun udføres på visse specifikke krystalflader. Den tredje type er overvækst på forskellige zeolitter, såsom FAU/MAZ, BEA/MFI og MFI/AFI typer. Disse zeolitter er udelukkende sammensat af forskellige zeolitstrukturer og har således særskilte kemiske og strukturelle egenskaber.

7. Kolloid krystalskabelonmetode

Hvordan fremstiller den kolloide krystalskabelonmetode sammenlignet med andre metoder materialer med ordnede, periodiske porestrukturer over et større størrelsesområde? Porøsiteten genereret ved hjælp af denne metode er en direkte kopi af den periodiske række af ensartede kolloide partikler, der bruges som hårde skabeloner, hvilket gør det lettere at konstruere hierarkiske størrelsesniveauer sammenlignet med andre skabelonmetoder. Brug af kolloide krystalskabeloner kan give yderligere porøsitet ud over de samlede kolloide hulrum.

De grundlæggende trin i kolloid krystalskabelon er illustreret, herunder dannelsen af ​​kolloide krystalskabeloner, precursorinfiltration og skabelonfjernelse. Generelt kan både overflade- og volumen skabelonstrukturer genereres. Tredimensionelle ordnede makroporøse (3DOM) strukturer genereret gennem overfladeskabeloner har indbyrdes forbundne "ballon" og stiverlignende netværk.

8. Bio-skabelonmetode

Hvordan er hierarkiskeporøse materialerfremstillet gennem biomimetiske strategier, der direkte kopierer naturlige materialer eller spontane samlingsprocesser? Begge metoder kan defineres som bioinspirerede processer.

En lang række naturlige materialer med hierarkiske porøse strukturer kan bruges direkte som bioskabeloner på grund af deres lave omkostninger og miljøvenlighed. Blandt disse materialer er der rapporteret om bakterietråde, kiselalger, æggeskalsmembraner, insektvinger, pollenkorn, planteblade, træcellulose, proteinaggregater, edderkoppesilke, kiselalger og andre organismer.

9. Polymer skabelonmetode

Hvordan kan polymerstrukturer med makroporer bruges som skabeloner til fremstilling af hierarkiske porøse materialer? Makroporøse polymerer kan fungere som stilladser, hvor kemiske reaktioner eller infiltration af nanopartikler forekommer omkring eller inden i dem, der styrer materialets morfologi. Efter at polymeren er fjernet, bevarer materialet de strukturelle egenskaber fra den originale skabelon.

10. Superkritisk væskemetode

Hvordan kan materialer med veldefinerede porøse strukturer syntetiseres ved kun at bruge vand og kuldioxid uden behov for flygtige organiske opløsningsmidler, og dermed tilbyde brede anvendelsesmuligheder? Fjernelsen af ​​dråbefasen er ligetil, fordi kuldioxid vender tilbage til en gasformig tilstand ved trykaflastning. Superkritiske væsker, som hverken er gasser eller væsker, kan gradvist komprimeres fra lav til høj tæthed. Derfor er superkritiske væsker afgørende som afstembare opløsningsmidler og reaktionsmedier i kemiske processer. Superkritisk væsketeknologi er en vigtig metode til at syntetisere og behandle hierarkiske porøse materialer.

Semicorex tilbyder høj kvalitetgrafitløsningertil halvlederprocesser. Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon # +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com