Йерархични порести въглеродни материали: Синтез и въведение

Йерархиченпорести материали, притежаващи многостепенни порести структури - макропори (диаметър > 50 nm), мезопори (2-50 nm) и микропори (<2 nm) - показват високи специфични повърхностни площи, високи съотношения на обема на порите, повишена пропускливост, ниски характеристики на пренос на маса и значителен капацитет за съхранение. Тези атрибути доведоха до широкото им приемане в различни области, включително катализа, адсорбция, разделяне, енергия и науки за живота, демонстрирайки превъзходна производителност в сравнение с по-простите порести материали.

Черпене на вдъхновение от природата

Много дизайни на йерархични порести материали са вдъхновени от естествени структури. Тези материали могат да подобрят трансфера на маса, да позволят селективно проникване, да създадат значителни хидрофилно-хидрофобни среди и да модулират оптичните свойства на материалите.

Стратегии за синтезиране на йерархичниПорести материали

1. Метод за шаблониране на повърхностно активно вещество

Как можем да използваме повърхностноактивни вещества за образуване на йерархични мезопорести материали? Използването на две повърхностноактивни вещества с различни молекулни размери като шаблони е ясна стратегия. Повърхностноактивните самосглобяеми молекулни агрегати или супрамолекулни агрегати са използвани като структурно-насочващи агенти за конструиране на порести структури. Чрез внимателно контролиране на разделянето на фазите, йерархичните структури на порите могат да бъдат синтезирани с помощта на двойно шаблонно повърхностно активно вещество.

В разредени водни разтвори на повърхностно активно вещество, намаляването на контакта на въглеводородна верига с вода намалява свободната енергия на системата. Хидрофилността на крайните групи на ПАВ определя вида, размера и други характеристики на агрегатите, образувани от много молекули на ПАВ. CMC на водните разтвори на повърхностно активното вещество е свързано с химическата структура на повърхностноактивното вещество, температурата и/или съразтворителите, използвани в системата.

Бимодалните мезопорести силициеви гелове се приготвят с помощта на разтвори, съдържащи блок кополимери (KLE, SE или F127) и по-малки повърхностноактивни вещества (IL, CTAB или P123).

2. Метод на репликация

Какъв е класическият подход за синтезиранепорести въглеродни материали? Общата процедура за репликация на шаблони за порест въглерод включва подготовка на композитен прекурсор на въглерод/неорганичен шаблон, карбонизация и последващо отстраняване на неорганичния шаблон. Този метод може да бъде разделен на две категории. Първата категория включва вграждане на неорганични шаблони в рамките на въглеродния прекурсор, като наночастици от силициев диоксид. След карбонизиране и отстраняване на шаблона, получените порести въглеродни материали имат изолирани пори, първоначално заети от шаблонния вид. Вторият метод въвежда въглеродния прекурсор в порите на шаблона. Порестите въглеродни материали, генерирани след карбонизация и отстраняване на шаблона, притежават взаимосвързани структури на порите.

3. Сол-гел метод

Как се използва зол-гел методът за синтезиране на йерархични порести материали? Започва с образуването на суспензия от колоидни частици (зол), последвано от образуването на гел, съставен от агрегирани частици зол. Термичната обработка на гела дава желания материал и морфология, като прахове, влакна, филми и монолити. Прекурсорите обикновено са метални органични съединения, като алкоксиди, хелатни алкоксиди или метални соли като метални хлориди, сулфати и нитрати. Първоначалната хидролиза на алкоксиди или депротониране на координирани водни молекули води до образуването на реактивни хидроксилни групи, които след това претърпяват процеси на кондензация, за да образуват разклонени олигомери, полимери, ядра с метален оксиден скелет и реактивни остатъчни хидроксилни и алкоксидни групи.

4. Метод за последваща обработка

Какви методи за последваща обработка се използват за получаване на йерархични порести материали чрез въвеждане на вторични пори? Тези методи обикновено попадат в три категории. Първата категория включва допълнително присажданепорести материаливърху оригиналния порест материал. Вторият включва химическо ецване или излугване на оригиналния порест материал за получаване на допълнителни пори. Третият включва сглобяване или подреждане на прекурсори на порести материали (обикновено наночастици) с помощта на химични или физични методи (като многослойно отлагане и мастиленоструен печат) за създаване на нови пори. Значителните предимства на последващата обработка са: (i) способността да се проектират различни функционалности, за да се отговори на различни изисквания; (ii) способност за получаване на различни структури за проектиране на организирани модели и морфологии; (iii) способността за комбиниране на различни видове пори за разширяване на желаните приложения.

5. Метод за шаблониране на емулсия

Как регулирането на маслената фаза или водната фаза в емулсия може да формира йерархични структури с размери на порите, вариращи от нанометри до микрометри? Прекурсорите се втвърдяват около капчици и след това разтворителите се отстраняват чрез изпаряване, което води до порести материали. В повечето случаи водата е един от разтворителите. Емулсиите могат да се образуват чрез диспергиране на капчици вода в маслената фаза, известни като "емулсии вода в масло (W/O)", или чрез диспергиране на капчици масло във вода, известни като "масло във вода (O/W) емулсии."

За производството на порести полимери с хидрофилни повърхности, W/O емулсиите се използват широко за регулиране на техните хидрофобни порести структури. За да се подобри хидрофилността, функционализиращи се съполимери (като винил бензил хлорид) се добавят към нефункционализирани мономери (като стирен) в емулсията. Чрез регулиране на размера на капките, йерархичнопорести материалис взаимосвързани порьозности и непрекъснати диаметри на порите могат да бъдат получени.

6. Метод за синтез на зеолити

Как могат стратегиите за синтез на зеолит, комбинирани с други стратегии за синтез, да генерират йерархични порести материали? Стратегии за свръхрастеж, базирани на контрол на фазовото разделяне по време на синтеза на зеолит, могат да се използват за получаване на бимикропорести зеолити с йерархични структури ядро/черупка, които могат да бъдат разделени на три типа. Първият тип включва свръхрастеж чрез изоморфни ядра (като ZSM-5/силикалит-1), където кристалите на ядрото действат като структурно-насочващи агенти. Вторият тип е епитаксиален растеж, като типовете зеолит LTA/FAU, включващ едни и същи градивни единици с различно пространствено разположение. При този метод, поради селективно свръхрастеж на зеолитни слоеве, покритието може да се извърши само върху определени специфични кристални повърхности. Третият тип е свръхрастеж върху различни зеолити, като типове FAU/MAZ, BEA/MFI и MFI/AFI. Тези зеолити са съставени изцяло от различни зеолитни структури, като по този начин притежават различни химични и структурни характеристики.

7. Метод за шаблониране на колоидни кристали

Как методът за формиране на колоидни кристали, в сравнение с други методи, произвежда материали с подредени, периодични структури на порите в по-голям диапазон на размерите? Порьозността, генерирана с помощта на този метод, е пряка реплика на периодичния масив от еднородни колоидни частици, използвани като твърди шаблони, което улеснява конструирането на йерархични нива на размер в сравнение с други методи за шаблониране. Използването на колоидни кристални шаблони може да доведе до допълнителна порьозност отвъд сглобените колоидни кухини.

Илюстрират се основните стъпки на формирането на колоидни кристали, включително образуването на шаблони на колоидни кристали, инфилтрация на прекурсор и отстраняване на шаблони. Като цяло могат да се генерират както повърхностни, така и обемни шаблонни структури. Триизмерните подредени макропорести (3DOM) структури, генерирани чрез повърхностно шаблониране, се отличават с взаимосвързани „балонни“ и подобни на подпори мрежи.

8. Метод на биошаблон

Как са йерархичнипорести материалипроизведени чрез биомиметични стратегии, които директно възпроизвеждат естествени материали или спонтанни процеси на сглобяване? И двата метода могат да бъдат определени като био-вдъхновени процеси.

Голямо разнообразие от естествени материали с йерархични порести структури могат да се използват директно като биошаблони поради тяхната ниска цена и екологичност. Сред тези материали са докладвани бактериални нишки, диатомови фрустули, мембрани от черупки на яйца, крила на насекоми, поленови зърна, растителни листа, дървесна целулоза, протеинови агрегати, паяжина, диатомеи и други организми.

9. Полимерен шаблонен метод

Как могат да се използват полимерни структури с макропори като шаблони за производство на йерархични порести материали? Макропорестите полимери могат да действат като скелета, с химически реакции или инфилтрация на наночастици, възникващи около или вътре в тях, ръководейки морфологията на материала. След отстраняването на полимера материалът запазва структурните характеристики на оригиналния шаблон.

10. Метод на свръхкритичен флуид

Как могат да се синтезират материали с добре дефинирани порести структури, използвайки само вода и въглероден диоксид, без необходимост от летливи органични разтворители, като по този начин предлагат широки перспективи за приложение? Отстраняването на капковата фаза е лесно, тъй като въглеродният диоксид се връща в газообразно състояние при намаляване на налягането. Свръхкритичните течности, които не са нито газове, нито течности, могат постепенно да се компресират от ниска към висока плътност. Следователно свръхкритичните течности са от решаващо значение като регулируеми разтворители и реакционни среди в химичните процеси. Технологията на свръхкритичните течности е важен метод за синтезиране и обработка на йерархични порести материали.

Semicorex предлага високо качествографитни разтвориза полупроводникови процеси. Ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com