Hierarchické porézní uhlíkové materiály: syntéza a úvod

Hierarchickýporézních materiálů, mající víceúrovňové struktury pórů – makropóry (průměr > 50 nm), mezopóry (2–50 nm) a mikropóry (<2 nm) – vykazují vysoké specifické povrchy, vysoké poměry objemu pórů, zvýšenou permeabilitu, nízké charakteristiky přenosu hmoty a značné skladovací kapacity. Tyto atributy vedly k jejich širokému přijetí v různých oblastech, včetně katalýzy, adsorpce, separace, energetiky a biologických věd, což představuje vynikající výkon oproti jednodušším porézním materiálům.

Kreslení inspirace z přírody

Mnoho návrhů hierarchických porézních materiálů je inspirováno přírodními strukturami. Tyto materiály mohou zlepšit přenos hmoty, umožnit selektivní permeaci, vytvořit významná hydrofilně-hydrofobní prostředí a modulovat optické vlastnosti materiálů.

Strategie pro syntézu hierarchiePorézní materiály

1. Metoda šablonování povrchově aktivní látky

Jak můžeme využít povrchově aktivní látky k vytvoření hierarchických mezoporézních materiálů? Použití dvou povrchově aktivních látek různých molekulových velikostí jako templátů je přímou strategií. Surfaktanty samouspořádané molekulární agregáty nebo supramolekulární uspořádání byly použity jako činidla usměrňující strukturu pro konstrukci porézních struktur. Pečlivým řízením separace fází mohou být syntetizovány hierarchické struktury pórů pomocí dvojitého templátování povrchově aktivních látek.

Ve zředěných vodných roztocích povrchově aktivních látek snižuje redukce kontaktu uhlovodíkového řetězce s vodou volnou energii systému. Hydrofilita koncových skupin povrchově aktivní látky určuje typ, velikost a další charakteristiky agregátů tvořených mnoha molekulami povrchově aktivní látky. CMC vodných roztoků povrchově aktivní látky souvisí s chemickou strukturou povrchově aktivní látky, teplotou a/nebo spolurozpouštědly použitými v systému.

Bimodální mezoporézní silikagely se připravují pomocí roztoků obsahujících blokové kopolymery (KLE, SE nebo F127) a menší povrchově aktivní látky (IL, CTAB nebo P123).

2. Metoda replikace

Jaký je klasický přístup k syntézeporézních uhlíkových materiálů? Obecný postup replikace šablony pro porézní uhlík zahrnuje přípravu kompozitu uhlíkový prekurzor/anorganický templát, karbonizaci a následné odstranění anorganického templátu. Tuto metodu lze rozdělit do dvou kategorií. První kategorie zahrnuje zabudování anorganických templátů do uhlíkového prekurzoru, jako jsou nanočástice oxidu křemičitého. Po karbonizaci a odstranění templátu mají výsledné porézní uhlíkové materiály izolované póry původně obsazené templátovými druhy. Druhá metoda zavádí uhlíkový prekurzor do pórů templátu. Porézní uhlíkové materiály vytvořené po karbonizaci a odstranění templátu mají vzájemně propojené struktury pórů.

3. Sol-Gel metoda

Jak se metoda sol-gel používá k syntéze hierarchických porézních materiálů? Začíná tvorbou suspenze koloidních částic (sol), následovanou tvorbou gelu složeného z agregovaných částic solu. Tepelné zpracování gelu poskytuje požadovaný materiál a morfologii, jako jsou prášky, vlákna, filmy a monolity. Prekurzory jsou typicky kovové organické sloučeniny, jako jsou alkoxidy, chelátové alkoxidy nebo soli kovů, jako jsou chloridy, sírany a dusičnany kovů. Počáteční hydrolýza alkoxidů nebo deprotonace koordinovaných molekul vody vede ke vzniku reaktivních hydroxylových skupin, které následně podléhají kondenzačním procesům za vzniku rozvětvených oligomerů, polymerů, jader s kostrou oxidu kovu a reaktivních zbytkových hydroxylových a alkoxidových skupin.

4. Metoda po ošetření

Jaké metody následné úpravy se používají k přípravě hierarchických porézních materiálů zavedením sekundárních pórů? Tyto metody obecně spadají do tří kategorií. První kategorie zahrnuje dodatečné roubováníporézních materiálůna původní porézní materiál. Druhý zahrnuje chemické leptání nebo vyluhování původního porézního materiálu za účelem získání dalších pórů. Třetí zahrnuje sestavení nebo uspořádání prekurzorů porézních materiálů (obvykle nanočástic) pomocí chemických nebo fyzikálních metod (jako je vícevrstvá depozice a inkoustový tisk) k vytvoření nových pórů. Významné výhody následné úpravy jsou: (i) schopnost navrhnout různé funkce pro splnění různých požadavků; (ii) schopnost získat různé struktury pro navrhování organizovaných vzorů a morfologií; (iii) schopnost kombinovat různé typy pórů pro rozšíření požadovaných aplikací.

5. Metoda šablonování emulze

Jak může úprava olejové fáze nebo vodní fáze v emulzi vytvořit hierarchické struktury s velikostí pórů v rozmezí od nanometrů po mikrometry? Prekurzory tuhnou kolem kapiček a poté jsou rozpouštědla odstraněna odpařováním, což vede k porézním materiálům. Ve většině případů je voda jedním z rozpouštědel. Emulze mohou být vytvořeny dispergováním kapiček vody v olejové fázi, známé jako „emulze voda v oleji (W/O)“, nebo dispergováním kapiček oleje ve vodě, známé jako „olej ve vodě (O/W) emulze."

K výrobě porézních polymerů s hydrofilními povrchy se široce používají emulze V/O pro úpravu jejich hydrofobních porézních struktur. Pro zvýšení hydrofilnosti se k nefunkcionalizovatelným monomerům (jako je styren) v emulzi přidávají funkcionalizované kopolymery (jako je vinylbenzylchlorid). Úpravou velikostí kapiček, hierarchickyporézních materiálůs propojenými póry a průběžnými průměry pórů.

6. Metoda syntézy zeolitu

Jak mohou strategie syntézy zeolitů v kombinaci s jinými strategiemi syntézy vytvářet hierarchické porézní materiály? Strategie přerůstání založené na řízení separace fází během syntézy zeolitů lze použít k získání bimikroporézních zeolitů s hierarchickými strukturami jádro/plášť, které lze rozdělit do tří typů. První typ zahrnuje přerůstání přes izomorfní jádra (jako je ZSM-5/silicalit-1), kde jádrové krystaly působí jako činidla usměrňující strukturu. Druhým typem je epitaxní růst, jako jsou zeolitové typy LTA/FAU, zahrnující stejné stavební jednotky s různým prostorovým uspořádáním. Při této metodě, kvůli selektivnímu přerůstání zeolitových vrstev, může být povlak prováděn pouze na určitých specifických plochách krystalů. Třetím typem je přerůstání na různých zeolitech, jako jsou typy FAU/MAZ, BEA/MFI a MFI/AFI. Tyto zeolity jsou složeny výhradně z různých zeolitových struktur, takže mají odlišné chemické a strukturní vlastnosti.

7. Metoda šablonování koloidních krystalů

Jak metoda šablonování koloidních krystalů ve srovnání s jinými metodami vyrábí materiály s uspořádanými, periodickými strukturami pórů ve větším rozsahu velikostí? Pórovitost generovaná touto metodou je přímou replikou periodického pole uniformních koloidních částic používaných jako tvrdé šablony, což usnadňuje konstrukci hierarchických úrovní velikosti ve srovnání s jinými metodami šablonování. Použití templátů s koloidními krystaly může poskytnout další poréznost mimo sestavené koloidní dutiny.

Jsou znázorněny základní kroky templátování koloidních krystalů, včetně tvorby templátů koloidních krystalů, infiltrace prekurzoru a odstranění templátu. Obecně lze generovat struktury povrchových i objemových šablon. Trojrozměrné uspořádané makroporézní (3DOM) struktury generované pomocí povrchové šablony mají vzájemně propojené „balónové“ a vzpěrové sítě.

8. Metoda bio-templátování

Jak jsou hierarchicképorézních materiálůvyrobené pomocí biomimetických strategií, které přímo replikují přírodní materiály nebo spontánní montážní procesy? Obě metody lze definovat jako bioinspirované procesy.

Široká škála přírodních materiálů s hierarchickou porézní strukturou může být přímo použita jako bio-šablony díky jejich nízké ceně a šetrnosti k životnímu prostředí. Mezi těmito materiály byly popsány bakteriální vlákna, rozsivky, membrány vaječných skořápek, hmyzí křídla, pylová zrna, listy rostlin, dřevní celulóza, proteinové agregáty, pavoučí hedvábí, rozsivky a další organismy.

9. Metoda šablonování polymerů

Jak lze polymerní struktury s makropóry použít jako šablony pro výrobu hierarchických porézních materiálů? Makroporézní polymery mohou fungovat jako lešení, s chemickými reakcemi nebo infiltrací nanočástic, které se kolem nich nebo uvnitř nich odehrávají a které řídí morfologii materiálu. Po odstranění polymeru si materiál zachovává strukturální charakteristiky původní šablony.

10. Superkritická kapalinová metoda

Jak mohou být materiály s dobře definovanými porézními strukturami syntetizovány pouze za použití vody a oxidu uhličitého, bez potřeby těkavých organických rozpouštědel, a nabízí tak široké možnosti použití? Odstranění kapkové fáze je jednoduché, protože oxid uhličitý se po odtlakování vrátí do plynného stavu. Nadkritické tekutiny, které nejsou ani plyny ani kapaliny, mohou být postupně stlačovány z nízkých na vysoké hustoty. Proto jsou superkritické tekutiny klíčové jako laditelná rozpouštědla a reakční média v chemických procesech. Technologie superkritických tekutin je důležitou metodou pro syntézu a zpracování hierarchických porézních materiálů.

Semicorex nabízí vysokou kvalitugrafitové roztokypro polovodičové procesy. Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com