Хиерархиски порозни јаглеродни материјали: синтеза и вовед

Хиерархискипорозни материјали, кои поседуваат пори структури на повеќе нивоа - макропори (дијаметар > 50 nm), мезопори (2-50 nm) и микропори (<2 nm) - покажуваат високи специфични површини, високи соодноси на волумен на порите, зголемена пропустливост, карактеристики на низок пренос на маса , и значителни капацитети за складирање. Овие атрибути доведоа до нивно широко усвојување во различни области, вклучително и катализа, адсорпција, сепарација, енергија и животни науки, покажувајќи супериорни перформанси во однос на поедноставните порозни материјали.

Цртање инспирација од природата

Многу дизајни на хиерархиски порозни материјали се инспирирани од природни структури. Овие материјали можат да го подобрат преносот на масата, да овозможат селективно навлегување, да создадат значителни хидрофилно-хидрофобни средини и да ги модулираат оптичките својства на материјалите.

Стратегии за синтетизирање хиерархискиПорозни материјали

1. Метод на шаблонирање на сурфактант

Како можеме да користиме сурфактанти за да формираме хиерархиски мезопорозни материјали? Употребата на два сурфактанти со различни молекуларни големини како шаблони е јасна стратегија. Самосклопени молекуларни агрегати на сурфактант или супрамолекуларни склопови се користат како средства за насочување на структурата за изградба на порозни структури. Со внимателно контролирање на раздвојувањето на фазите, хиерархиските структури на порите може да се синтетизираат со користење на обрасци со двоен сурфактант.

Во разредените водени раствори на сурфактант, намалувањето на контактот на јаглеводородниот синџир со вода ја намалува слободната енергија на системот. Хидрофилноста на терминалните групи на сурфактант го одредува типот, големината и другите карактеристики на агрегатите формирани од многу молекули на сурфактант. CMC на водените раствори на сурфактант е поврзана со хемиската структура на сурфактантот, температурата и/или корастворувачите што се користат во системот.

Бимодални мезопорозни силика гелови се подготвуваат со употреба на раствори кои содржат блок кополимери (KLE, SE или F127) и помали сурфактанти (IL, CTAB или P123).

2. Метод на репликација

Кој е класичниот пристап на синтетизирањепорозни јаглеродни материјали? Општата процедура за репликација на шаблон за порозен јаглерод вклучува подготовка на композити на јаглероден прекурсор/неоргански шаблон, карбонизација и последователно отстранување на неорганскиот шаблон. Овој метод може да се подели во две категории. Првата категорија вклучува вградување на неоргански шаблони во јаглеродниот прекурсор, како што се силициумските наночестички. По карбонизацијата и отстранувањето на шаблонот, добиените порозни јаглеродни материјали имаат изолирани пори првично окупирани од видовите на шаблонот. Вториот метод го воведува јаглеродниот претходник во порите на шаблонот. Порозните јаглеродни материјали генерирани по карбонизација и отстранување на шаблонот поседуваат меѓусебно поврзани пори структури.

3. Метод на сол-гел

Како се користи методот сол-гел за синтеза на хиерархиски порозни материјали? Започнува со формирање на колоидна суспензија на честички (сол), проследено со формирање на гел составен од агрегирани честички на сол. Термичката обработка на гелот го дава посакуваниот материјал и морфологија, како што се прашоци, влакна, филмови и монолити. Прекурсорите се обично метални органски соединенија, како што се алкоксиди, хелатни алкоксиди или метални соли како метални хлориди, сулфати и нитрати. Почетната хидролиза на алкоксидите или депротонацијата на координираните молекули на водата доведува до формирање на реактивни хидроксилни групи, кои потоа се подложени на процеси на кондензација за да формираат разгранети олигомери, полимери, јадра со метален оксиден скелет и реактивни резидуални хидроксилни и алкоксидни групи.

4. Метод на пост-третман

Кои методи по третман се користат за подготовка на хиерархиски порозни материјали со воведување секундарни пори? Овие методи обично спаѓаат во три категории. Првата категорија вклучува калемење дополнителнипорозни материјалина оригиналниот порозен материјал. Вториот вклучува хемиско офорт или истекување на оригиналниот порозен материјал за да се добијат дополнителни пори. Третиот вклучува склопување или распоредување прекурсори на порозни материјали (обично наночестички) со користење на хемиски или физички методи (како повеќеслојно таложење и инк-џет печатење) за да се создадат нови пори. Значајните предности на пост-третманот се: (i) способноста да се дизајнираат различни функционалности за да се исполнат различни барања; (ii) способност да се добијат различни структури за дизајнирање организирани обрасци и морфологии; (iii) способност да се комбинираат различни видови пори за да се прошират саканите апликации.

5. Метод на шаблони за емулзија

Како може приспособувањето на маслената фаза или водната фаза во емулзијата да формира хиерархиски структури со големини на пори кои се движат од нанометри до микрометри? Прекурсорите се зацврстуваат околу капките, а потоа растворувачите се отстрануваат преку испарување, што резултира со порозни материјали. Во повеќето случаи, водата е еден од растворувачите. Емулзиите може да се формираат со дисперзија на капки вода во маслената фаза, познати како „емулзии вода во масло (W/O)“ или со растурање на капки масло во вода, познати како „масло во вода (O/W) емулзии“.

За производство на порозни полимери со хидрофилни површини, W/O емулзиите се широко користени за прилагодување на нивните хидрофобни порозни структури. За да се подобри хидрофилноста, функционализираните кополимери (како винил бензил хлорид) се додаваат на нефункционални мономери (како стирен) во емулзијата. Со прилагодување на големини на капки, хиерархискипорозни материјалисо меѓусебно поврзани порозности и континуирани дијаметри на порите може да се добијат.

6. Метод на синтеза на зеолит

Како може стратегиите за синтеза на зеолит, во комбинација со други стратегии за синтеза, да генерираат хиерархиски порозни материјали? Стратегиите за прекумерен раст засновани на контрола на сепарација на фази за време на синтезата на зеолит може да се користат за да се добијат би-микропорозни зеолити со хиерархиски структури на јадро/обвивка, кои можат да се поделат на три вида. Првиот тип вклучува прекумерен раст преку изоморфни јадра (како што е ZSM-5/силикалит-1), каде што кристалите на јадрото делуваат како агенси за насочување на структурата. Вториот тип е епитаксијален раст, како што се типовите на зеолит LTA/FAU, кои вклучуваат исти градежни единици со различни просторни распореди. Во овој метод, поради селективен прекумерен раст на слоевите на зеолит, обложувањето може да се изврши само на одредени специфични кристални страни. Третиот тип е прекумерен раст на различни зеолити, како што се типовите FAU/MAZ, BEA/MFI и MFI/AFI. Овие зеолити се целосно составени од различни структури на зеолит, со што поседуваат различни хемиски и структурни карактеристики.

7. Метод на шаблонирање на колоиден кристал

Како методот на шаблони со колоидни кристали, во споредба со другите методи, произведува материјали со нарачани, периодични пори структури во поголем опсег на големина? Порозноста генерирана со овој метод е директна реплика на периодичната низа на униформни колоидни честички што се користат како тврди шаблони, што го олеснува конструирањето на хиерархиските нивоа на големина во споредба со другите методи на шаблони. Користењето шаблони со колоидни кристали може да даде дополнителна порозност надвор од собраните колоидни празнини.

Илустрирани се основните чекори на шаблоните со колоидни кристали, вклучувајќи го и формирањето на шаблони со колоидни кристали, инфилтрацијата на претходниците и отстранувањето на шаблонот. Општо земено, може да се генерираат и површински и волуменски шаблонски структури. Тридимензионалните подредени макропорозни (3DOM) структури генерирани преку шаблоните на површината имаат меѓусебно поврзани „балон“ и мрежи слични на потпора.

8. Метод на био-шаблони

Како се хиерархискипорозни материјалипроизведени преку биомиметички стратегии кои директно реплицираат природни материјали или спонтани процеси на склопување? И двата методи може да се дефинираат како процеси инспирирани од био.

Широк спектар на природни материјали со хиерархиски порозни структури може да се користат директно како био-шаблони поради нивната ниска цена и еколошка пријатност. Меѓу овие материјали, пријавени се бактериски нишки, дијатомски фрустули, мембрани од лушпи од јајца, крилја од инсекти, поленови зрна, лисја од растенија, дрвна целулоза, протеински агрегати, свила на пајаци, дијатоми и други организми.

9. Метод на полимерна шаблони

Како може полимерните структури со макропори да се користат како шаблони за производство на хиерархиски порозни материјали? Макропорозните полимери можат да дејствуваат како скелиња, при што хемиски реакции или инфилтрација на наночестички се случуваат околу или во нив, што ја води морфологијата на материјалот. Откако ќе се отстрани полимерот, материјалот ги задржува структурните карактеристики на оригиналниот шаблон.

10. Метод на суперкритична течност

Како може материјалите со добро дефинирани порозни структури да се синтетизираат користејќи само вода и јаглерод диоксид, без потреба од испарливи органски растворувачи, со што се нудат широки изгледи за примена? Отстранувањето на фазата на капки е едноставно бидејќи јаглерод диоксидот се враќа во гасовита состојба по депресуризацијата. Суперкритичните флуиди, кои не се ниту гасови, ниту течности, можат постепено да се компресираат од мала до висока густина. Затоа, суперкритичните флуиди се клучни како прилагодливи растворувачи и медиум за реакција во хемиските процеси. Технологијата на суперкритична течност е важен метод за синтеза и обработка на хиерархиски порозни материјали.

Semicorex нуди висок квалитетграфитни решенијаза полупроводнички процеси. Ако имате какви било прашања или ви требаат дополнителни детали, не двоумете се да стапите во контакт со нас.

Контакт телефон +86-13567891907

Е-пошта: sales@semicorex.com