Hierarhilised poorsed süsinikmaterjalid: süntees ja sissejuhatus

Hierarhilinepoorsed materjalid, millel on mitmetasandilised pooride struktuurid – makropoorid (läbimõõt > 50 nm), mesopoorid (2–50 nm) ja mikropoorid (<2 nm) – millel on suur eripind, kõrge pooride mahu suhe, suurem läbilaskvus, madalad massiülekande omadused ja märkimisväärsed salvestusmahud. Need atribuudid on viinud nende laialdasele kasutuselevõtule erinevates valdkondades, sealhulgas katalüüsis, adsorptsioonis, eraldamises, energeetikas ja bioteadustes, mis näitavad paremat jõudlust võrreldes lihtsamate poorsete materjalidega.

Loodusest inspiratsiooni ammutamine

Paljud hierarhiliste poorsete materjalide kujundused on inspireeritud looduslikest struktuuridest. Need materjalid võivad suurendada massiülekannet, võimaldada selektiivset läbitungimist, luua olulisi hüdrofiilseid-hüdrofoobseid keskkondi ja moduleerida materjalide optilisi omadusi.

Hierarhilise sünteesimise strateegiadPoorsed materjalid

1. Pindaktiivsete ainete mallimismeetod

Kuidas saame kasutada pindaktiivseid aineid hierarhiliste mesopoorsete materjalide moodustamiseks? Kahe erineva molekulisuurusega pindaktiivse aine kasutamine mallidena on lihtne strateegia. Pindaktiivsete ainete isekomplekteeritud molekulaarseid agregaate või supramolekulaarseid sõlmesid on kasutatud struktuuri suunavate ainetena poorsete struktuuride konstrueerimiseks. Faaside eraldamist hoolikalt kontrollides saab kahe pindaktiivse aine malli abil sünteesida hierarhilisi pooride struktuure.

Lahjendatud pindaktiivsete ainete vesilahustes vähendab süsivesinikahela kokkupuute vähendamine veega süsteemi vaba energiat. Pindaktiivse aine terminaalsete rühmade hüdrofiilsus määrab paljude pindaktiivsete ainete molekulide moodustatud agregaatide tüübi, suuruse ja muud omadused. Pindaktiivsete ainete vesilahuste CMC on seotud pindaktiivse aine keemilise struktuuri, temperatuuri ja/või süsteemis kasutatavate kaaslahustitega.

Bimodaalsete mesopoorsete silikageelide valmistamiseks kasutatakse plokk-kopolümeere (KLE, SE või F127) ja väiksemaid pindaktiivseid aineid (IL, CTAB või P123) sisaldavaid lahuseid.

2. Replikatsioonimeetod

Mis on klassikaline lähenemine sünteesilepoorsed süsinikmaterjalid? Üldine poorse süsiniku matriitsi replikatsiooniprotseduur hõlmab süsiniku prekursori/anorgaanilise matriitsi komposiidi valmistamist, karboniseerimist ja sellele järgnevat anorgaanilise matriitsi eemaldamist. Selle meetodi võib jagada kahte kategooriasse. Esimene kategooria hõlmab anorgaaniliste mallide, näiteks ränidioksiidi nanoosakeste sisestamist süsiniku lähteainesse. Pärast karboniseerimist ja matriitsi eemaldamist on saadud poorsetel süsinikmaterjalidel isoleeritud poorid, mille algselt hõivasid matriitsi liigid. Teine meetod viib süsiniku lähteaine malli pooridesse. Pärast karboniseerimist ja malli eemaldamist tekkinud poorsetel süsinikmaterjalidel on omavahel ühendatud pooride struktuurid.

3. Sol-Gel meetod

Kuidas kasutatakse sool-geeli meetodit hierarhiliste poorsete materjalide sünteesimiseks? See algab kolloidsete osakeste suspensiooni (sool) moodustumisega, millele järgneb agregeerunud sooliosakestest koosneva geeli moodustumine. Geeli termiline töötlemine annab soovitud materjali ja morfoloogia, nagu pulbrid, kiud, kiled ja monoliitid. Eelkäijad on tavaliselt metallide orgaanilised ühendid, nagu alkoksiidid, kelaaditud alkoksiidid või metallisoolad, nagu metallikloriidid, sulfaadid ja nitraadid. Alkoksiidide esialgne hüdrolüüs või koordineeritud veemolekulide deprotoonimine viib reaktiivsete hüdroksüülrühmade moodustumiseni, mis seejärel läbivad kondensatsiooniprotsessid, moodustades hargnenud oligomeere, polümeere, metalloksiidi karkassiga tuumasid ning reaktiivseid jääkhüdroksüül- ja alkoksiidrühmi.

4. Järelravi meetod

Milliseid järeltöötlusmeetodeid kasutatakse hierarhiliste poorsete materjalide valmistamiseks sekundaarsete pooride sisseviimisega? Need meetodid jagunevad üldiselt kolme kategooriasse. Esimene kategooria hõlmab täiendavat pookimistpoorsed materjalidalgsele poorsele materjalile. Teine hõlmab esialgse poorse materjali keemilist söövitamist või leotamist täiendavate pooride saamiseks. Kolmas hõlmab poorsete materjalide (tavaliselt nanoosakeste) prekursorite kokkupanemist või paigutamist keemiliste või füüsikaliste meetodite abil (nt mitmekihiline sadestamine ja tindiprintimine), et luua uusi poore. Järeltöötluse olulised eelised on: (i) võimalus kavandada erinevaid funktsioone, mis vastavad erinevatele nõuetele; (ii) võime omandada mitmesuguseid struktuure organiseeritud mustrite ja morfoloogiate kujundamiseks; (iii) võimalus kombineerida erinevat tüüpi poore soovitud rakenduste laiendamiseks.

5. Emulsioonmallide meetod

Kuidas saab õlifaasi või veefaasi reguleerimine emulsioonis moodustada hierarhilisi struktuure, mille pooride suurus ulatub nanomeetritest mikromeetriteni? Eelkäijad tahkuvad tilkade ümber ja seejärel eemaldatakse lahustid aurustamise teel, mille tulemuseks on poorsed materjalid. Enamikul juhtudel on üks lahustitest vesi. Emulsioone saab moodustada veepiiskade dispergeerimisel õlifaasis, mida tuntakse "vesi-õlis (W/O) emulsioonidena" või õlipiiskade dispergeerimisel vees, mida tuntakse kui "õli-vees (O/W)" emulsioonid."

Hüdrofiilse pinnaga poorsete polümeeride tootmiseks kasutatakse laialdaselt W/O emulsioone nende hüdrofoobsete poorsete struktuuride reguleerimiseks. Hüdrofiilsuse suurendamiseks lisatakse emulsiooni mittefunktsionaliseeritavatele monomeeridele (nagu stüreen) funktsionaliseeritavaid kopolümeere (nagu vinüülbensüülkloriid). Reguleerides tilkade suurusi, hierarhilinepoorsed materjalidon võimalik saada omavahel ühendatud poorsuste ja pidevate pooride läbimõõtudega.

6. Tseoliidi sünteesi meetod

Kuidas saavad tseoliidi sünteesistrateegiad koos teiste sünteesistrateegiatega tekitada hierarhilisi poorseid materjale? Tseoliidi sünteesi ajal faaside eraldamise kontrollil põhinevaid ülekasvustrateegiaid saab kasutada kahe mikropoorsete tseoliitide saamiseks, millel on hierarhilised südamiku/kestade struktuurid, mida saab jagada kolme tüüpi. Esimene tüüp hõlmab ülekasvamist isomorfsete tuumade kaudu (nagu ZSM-5 / silikaliit-1), kus tuumakristallid toimivad struktuuri suunavate ainetena. Teine tüüp on epitaksiaalne kasv, näiteks tseoliit LTA/FAU tüübid, mis hõlmavad samu hooneüksusi erineva ruumilise paigutusega. Selle meetodi puhul saab tseoliidikihtide selektiivse ülekasvu tõttu katta ainult teatud kindlaid kristallipindu. Kolmas tüüp on ülekasv erinevatel tseoliitidel, nagu FAU/MAZ, BEA/MFI ja MFI/AFI tüüpi. Need tseoliidid koosnevad täielikult erinevatest tseoliitstruktuuridest, seega on neil erinevad keemilised ja struktuurilised omadused.

7. Kolloidkristallide mallimismeetod

Kuidas valmistab kolloidkristallide mallimismeetod võrreldes teiste meetoditega järjestatud, perioodiliste pooride struktuuridega materjale suuremas suurusvahemikus? Selle meetodi abil genereeritud poorsus on kõvade mallidena kasutatavate ühtlaste kolloidosakeste perioodilise massiivi otsene koopia, mis muudab hierarhiliste suurustasemete konstrueerimise teiste mallimismeetoditega võrreldes lihtsamaks. Kolloidsete kristallide mallide kasutamine võib anda täiendava poorsuse peale kokkupandud kolloidsete tühimike.

Illustreeritakse kolloidkristallide mallimise põhietappe, sealhulgas kolloidsete kristallide mallide moodustamist, prekursorite infiltratsiooni ja malli eemaldamist. Üldiselt saab genereerida nii pinna- kui ka mahumallide struktuure. Kolmemõõtmelised järjestatud makropoorsed (3DOM) struktuurid, mis on loodud pinnamallide abil, sisaldavad omavahel ühendatud "õhupalli" ja tugipostitaolisi võrgustikke.

8. Bio-templimise meetod

Kuidas on hierarhilisedpoorsed materjalidtoodetud biomimeetiliste strateegiate abil, mis kopeerivad otseselt looduslikke materjale või spontaanseid koosteprotsesse? Mõlemat meetodit võib määratleda kui bioinspireeritud protsessi.

Biomallidena saab otse kasutada mitmesuguseid hierarhilise poorse struktuuriga looduslikke materjale nende odavuse ja keskkonnasõbralikkuse tõttu. Nende materjalide hulgas on teatatud bakteriaalsetest niitidest, ränivetikatest, munakoore membraanidest, putukate tiibadest, õietolmuteradest, taimede lehtedest, puidutselluloosist, valguagregaatidest, ämbliksiidist, ränivetikatest ja muudest organismidest.

9. Polümeeride mallimismeetod

Kuidas saab makropooridega polümeerstruktuure kasutada mallidena hierarhiliste poorsete materjalide valmistamisel? Makropoorsed polümeerid võivad toimida karkassidena, mille ümber või sees toimuvad keemilised reaktsioonid või nanoosakeste infiltratsioon, mis juhivad materjali morfoloogiat. Pärast polümeeri eemaldamist säilitab materjal algse malli struktuuriomadused.

10. Ülekriitilise vedeliku meetod

Kuidas saab täpselt määratletud poorse struktuuriga materjale sünteesida, kasutades ainult vett ja süsinikdioksiidi, ilma et oleks vaja kasutada lenduvaid orgaanilisi lahusteid, pakkudes seega laialdasi kasutusvõimalusi? Tilgafaasi eemaldamine on lihtne, kuna rõhu vähendamisel läheb süsinikdioksiid tagasi gaasilisse olekusse. Ülekriitilisi vedelikke, mis ei ole gaasid ega vedelikud, saab järk-järgult kokku suruda madalast tihedusest suureni. Seetõttu on ülekriitilised vedelikud keemilistes protsessides häälestatavate lahustite ja reaktsioonikeskkondadena üliolulised. Ülekriitiliste vedelike tehnoloogia on oluline meetod hierarhiliste poorsete materjalide sünteesimiseks ja töötlemiseks.

Semicorex pakub kõrget kvaliteetigrafiidi lahusedpooljuhtprotsesside jaoks. Kui teil on küsimusi või vajate lisateavet, võtke meiega ühendust.

Kontakttelefon # +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com