Hierarkiske porøse karbonmaterialer: syntese og introduksjon

Hierarkiskporøse materialer, som har flernivåporestrukturer - makroporer (diameter > 50 nm), mesoporer (2-50 nm) og mikroporer (<2 nm) - viser høye spesifikke overflatearealer, høye porevolumforhold, forbedret permeabilitet, lav masseoverføringsegenskaper , og betydelig lagringskapasitet. Disse egenskapene har ført til utbredt bruk på tvers av ulike felt, inkludert katalyse, adsorpsjon, separasjon, energi og biovitenskap, og viser overlegen ytelse i forhold til enklere porøse materialer.

Henter inspirasjon fra naturen

Mange design av hierarkiske porøse materialer er inspirert av naturlige strukturer. Disse materialene kan forbedre masseoverføring, muliggjøre selektiv permeasjon, skape betydelige hydrofile-hydrofobe miljøer og modulere de optiske egenskapene til materialer.

Strategier for å syntetisere hierarkiskePorøse materialer

1. Metode for maling av overflateaktive stoffer

Hvordan kan vi bruke overflateaktive stoffer til å danne hierarkiske mesoporøse materialer? Å bruke to overflateaktive stoffer av forskjellige molekylstørrelser som maler er en enkel strategi. Overflateaktive selvmonterte molekylære aggregater eller supramolekylære sammenstillinger har blitt brukt som strukturstyrende midler for å konstruere porøse strukturer. Ved nøye å kontrollere faseseparasjon, kan hierarkiske porestrukturer syntetiseres ved bruk av dobbel overflateaktivt middel.

I fortynnede overflateaktive vandige løsninger reduserer reduksjonen av hydrokarbonkjedekontakt med vann systemets frie energi. Hydrofilisiteten til overflateaktive endegrupper bestemmer typen, størrelsen og andre egenskaper til aggregatene som dannes av mange overflateaktive molekyler. CMC for vandige overflateaktive oppløsninger er relatert til den kjemiske strukturen til det overflateaktive middelet, temperaturen og/eller medløsningsmidlene som brukes i systemet.

Bimodale mesoporøse silikageler fremstilles ved bruk av løsninger som inneholder blokkkopolymerer (KLE, SE eller F127) og mindre overflateaktive stoffer (IL, CTAB eller P123).

2. Replikeringsmetode

Hva er den klassiske tilnærmingen til syntetiseringporøse karbonmaterialer? Den generelle sjablongreplikasjonsprosedyren for porøst karbon involverer fremstilling av en karbonforløper/uorganisk templat-kompositt, karbonisering og påfølgende fjerning av den uorganiske malen. Denne metoden kan deles inn i to kategorier. Den første kategorien innebærer å legge inn uorganiske maler i karbonforløperen, for eksempel silika nanopartikler. Etter karbonisering og templatfjerning har de resulterende porøse karbonmaterialene isolerte porer som opprinnelig er okkupert av malarten. Den andre metoden introduserer karbonforløperen i malporene. De porøse karbonmaterialene som genereres etter karbonisering og malfjerning har sammenkoblede porestrukturer.

3. Sol-Gel metode

Hvordan brukes sol-gel-metoden for å syntetisere hierarkiske porøse materialer? Det begynner med dannelsen av en kolloidal partikkelsuspensjon (sol), etterfulgt av dannelsen av en gel sammensatt av aggregerte solpartikler. Termisk behandling av gelen gir ønsket materiale og morfologi, slik som pulvere, fibre, filmer og monolitter. Forløpere er vanligvis metallorganiske forbindelser, som alkoksyder, chelaterte alkoksyder eller metallsalter som metallklorider, sulfater og nitrater. Initial hydrolyse av alkoksyder eller deprotonering av koordinerte vannmolekyler fører til dannelse av reaktive hydroksylgrupper, som deretter gjennomgår kondensasjonsprosesser for å danne forgrenede oligomerer, polymerer, kjerner med et metalloksidskjelett og reaktive gjenværende hydroksyl- og alkoksydgrupper.

4. Etterbehandlingsmetode

Hvilke etterbehandlingsmetoder brukes for å fremstille hierarkiske porøse materialer ved å introdusere sekundære porer? Disse metodene faller generelt inn i tre kategorier. Den første kategorien innebærer poding i tilleggporøse materialerpå det originale porøse materialet. Den andre involverer kjemisk etsing eller utluting av det originale porøse materialet for å oppnå ytterligere porer. Den tredje innebærer å sette sammen eller arrangere forløpere av porøse materialer (vanligvis nanopartikler) ved hjelp av kjemiske eller fysiske metoder (som flerlagsavsetning og blekkskriving) for å skape nye porer. De vesentlige fordelene med etterbehandling er: (i) muligheten til å designe ulike funksjoner for å møte ulike krav; (ii) evnen til å oppnå en rekke strukturer for å designe organiserte mønstre og morfologier; (iii) muligheten til å kombinere ulike typer porer for å utvide de ønskede bruksområdene.

5. Emulsjonsmalmetode

Hvordan kan justering av oljefasen eller vannfasen i en emulsjon danne hierarkiske strukturer med porestørrelser fra nanometer til mikrometer? Forløpere størkner rundt dråper, og deretter fjernes løsemidler gjennom fordampning, noe som resulterer i porøse materialer. I de fleste tilfeller er vann et av løsningsmidlene. Emulsjoner kan dannes ved å dispergere vanndråper i oljefasen, kjent som "vann-i-olje (W/O) emulsjoner", eller ved å spre oljedråper i vann, kjent som "olje-i-vann (O/W) emulsjoner."

For å produsere porøse polymerer med hydrofile overflater, er W/O-emulsjoner mye brukt for å justere deres hydrofobe porøse strukturer. For å øke hydrofilisiteten tilsettes funksjonaliserbare kopolymerer (som vinylbenzylklorid) til ikke-funksjonaliserbare monomerer (som styren) i emulsjonen. Ved å justere dråpestørrelser, hierarkiskporøse materialermed sammenkoblede porøsiteter og kontinuerlige porediametre kan oppnås.

6. Zeolittsyntesemetode

Hvordan kan zeolittsyntesestrategier, kombinert med andre syntesestrategier, generere hierarkiske porøse materialer? Overvekststrategier basert på faseseparasjonskontroll under zeolittsyntese kan brukes for å oppnå bi-mikroporøse zeolitter med hierarkiske kjerne/skallstrukturer, som kan deles inn i tre typer. Den første typen involverer overvekst gjennom isomorfe kjerner (som ZSM-5/silicalite-1), der kjernekrystaller fungerer som strukturstyrende midler. Den andre typen er epitaksial vekst, slik som zeolitt LTA/FAU-typer, som involverer de samme bygningsenhetene med forskjellige romlige arrangementer. I denne metoden, på grunn av selektiv overvekst av zeolittlag, kan belegg kun utføres på visse spesifikke krystallflater. Den tredje typen er gjengroing på forskjellige zeolitter, som FAU/MAZ, BEA/MFI og MFI/AFI-typer. Disse zeolittene er helt sammensatt av forskjellige zeolittstrukturer, og har dermed distinkte kjemiske og strukturelle egenskaper.

7. Kolloidal krystallmalermetode

Hvordan produserer den kolloidale krystallmalingsmetoden, sammenlignet med andre metoder, materialer med ordnede, periodiske porestrukturer over et større størrelsesområde? Porøsiteten som genereres ved hjelp av denne metoden er en direkte kopi av den periodiske rekken av ensartede kolloidale partikler som brukes som harde maler, noe som gjør det lettere å konstruere hierarkiske størrelsesnivåer sammenlignet med andre malmetoder. Bruk av kolloidale krystallmaler kan gi ytterligere porøsitet utover de sammensatte kolloidale hulrommene.

De grunnleggende trinnene for maling av kolloide krystaller er illustrert, inkludert dannelsen av kolloidale krystallmaler, forløperinfiltrasjon og fjerning av mal. Generelt kan både overflate- og volummalstrukturer genereres. Tredimensjonale ordnede makroporøse (3DOM) strukturer generert gjennom overflatemaling har sammenkoblede "ballong" og strut-lignende nettverk.

8. Bio-malmetode

Hvordan er hierarkiskeporøse materialerprodusert gjennom biomimetiske strategier som direkte gjenskaper naturlige materialer eller spontane monteringsprosesser? Begge metodene kan defineres som bioinspirerte prosesser.

Et bredt utvalg av naturlige materialer med hierarkiske porøse strukturer kan brukes direkte som biomaler på grunn av deres lave kostnader og miljøvennlighet. Blant disse materialene er det rapportert om bakterietråder, kiselalger, eggeskallmembraner, insektvinger, pollenkorn, planteblader, trecellulose, proteinaggregater, edderkoppsilke, kiselalger og andre organismer.

9. Polymermalmetode

Hvordan kan polymerstrukturer med makroporer brukes som maler for fremstilling av hierarkiske porøse materialer? Makroporøse polymerer kan fungere som stillaser, med kjemiske reaksjoner eller infiltrasjon av nanopartikler som forekommer rundt eller inne i dem, og styrer materialets morfologi. Etter at polymeren er fjernet, beholder materialet de strukturelle egenskapene til den opprinnelige malen.

10. Superkritisk væskemetode

Hvordan kan materialer med veldefinerte porøse strukturer syntetiseres med kun vann og karbondioksid, uten behov for flyktige organiske løsemidler, og dermed tilby brede bruksmuligheter? Fjerningen av dråpefasen er enkel fordi karbondioksid går tilbake til en gassform ved trykkavlastning. Superkritiske væsker, som verken er gasser eller væsker, kan gradvis komprimeres fra lav til høy tetthet. Derfor er superkritiske væsker avgjørende som avstembare løsningsmidler og reaksjonsmedier i kjemiske prosesser. Superkritisk væsketeknologi er en viktig metode for å syntetisere og behandle hierarkiske porøse materialer.

Semicorex tilbyr høy kvalitetgrafittløsningerfor halvlederprosesser. Hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakt telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com