Хијерархијски порозни угљенични материјали: синтеза и увод

Хијерархијскипорозни материјали, који поседују вишеслојне структуре пора - макропоре (пречник > 50 нм), мезопоре (2-50 нм) и микропоре (<2 нм) - показују високе специфичне површине, велики однос запремине пора, побољшану пропустљивост, ниске карактеристике преноса масе , и значајне складишне капацитете. Ови атрибути су довели до њиховог широког усвајања у различитим областима, укључујући катализу, адсорпцију, сепарацију, енергију и науке о животу, показујући супериорне перформансе у односу на једноставније порозне материјале.

Цртање инспирације из природе

Многи дизајни хијерархијских порозних материјала инспирисани су природним структурама. Ови материјали могу побољшати пренос масе, омогућити селективну пермеацију, створити значајна хидрофилно-хидрофобна окружења и модулирати оптичка својства материјала.

Стратегије за синтезу хијерархијскихПорозни материјали

1. Метода шаблонирања површински активних материја

Како можемо користити сурфактанте за формирање хијерархијских мезопорозних материјала? Коришћење два сурфактанта различитих молекуларних величина као шаблона је једноставна стратегија. Само-састављени молекуларни агрегати или супрамолекуларни склопови сурфактанта коришћени су као агенси за усмеравање структуре за конструисање порозних структура. Пажљивим контролисањем раздвајања фаза, хијерархијске структуре пора могу се синтетизовати коришћењем шаблона двоструког сурфактанта.

У разблаженим воденим растворима сурфактаната, редукција контакта угљоводоничног ланца са водом смањује слободну енергију система. Хидрофилност терминалних група сурфактанта одређује тип, величину и друге карактеристике агрегата формираних од многих молекула сурфактанта. ЦМЦ водених раствора сурфактаната је повезан са хемијском структуром сурфактанта, температуром и/или корастварачима који се користе у систему.

Бимодални мезопорозни силика гелови се припремају коришћењем раствора који садрже блок кополимере (КЛЕ, СЕ или Ф127) и мање сурфактанте (ИЛ, ЦТАБ или П123).

2. Метода репликације

Шта је класичан приступ синтезипорозни угљенични материјали? Општи поступак репликације шаблона за порозни угљеник укључује припрему композита прекурсора угљеника/неорганског шаблона, карбонизацију и накнадно уклањање неорганског шаблона. Овај метод се може поделити у две категорије. Прва категорија укључује уграђивање неорганских шаблона унутар прекурсора угљеника, као што су наночестице силицијум диоксида. Након карбонизације и уклањања шаблона, резултујући порозни угљенични материјали имају изоловане поре које су првобитно заузеле шаблонске врсте. Други метод уводи прекурсор угљеника у поре шаблона. Порозни угљенични материјали настали након карбонизације и уклањања шаблона поседују међусобно повезане структуре пора.

3. Сол-Гел метода

Како се сол-гел метода користи за синтезу хијерархијских порозних материјала? Почиње формирањем суспензије колоидних честица (сол), након чега следи формирање гела састављеног од агрегираних честица сол. Термичка обрада гела даје жељени материјал и морфологију, као што су прахови, влакна, филмови и монолити. Прекурсори су типично метална органска једињења, као што су алкоксиди, хелатирани алкоксиди или соли метала попут металних хлорида, сулфата и нитрата. Иницијална хидролиза алкоксида или депротонација координисаних молекула воде доводи до формирања реактивних хидроксилних група, које потом пролазе кроз процесе кондензације да би се формирали разгранати олигомери, полимери, језгра са скелетом металног оксида и реактивне резидуалне хидроксилне и алкоксидне групе.

4. Метода после третмана

Које методе накнадног третмана се користе за припрему хијерархијских порозних материјала увођењем секундарних пора? Ове методе генерално спадају у три категорије. Прва категорија укључује додатно калемљењепорозни материјалина оригинални порозни материјал. Други укључује хемијско нагризање или испирање оригиналног порозног материјала да би се добиле додатне поре. Трећи укључује склапање или уређење прекурсора порозних материјала (обично наночестица) коришћењем хемијских или физичких метода (као што су вишеслојно наношење и инкјет штампа) за стварање нових пора. Значајне предности накнадног третмана су: (и) способност дизајнирања различитих функционалности како би се испунили различити захтеви; (ии) способност добијања различитих структура за дизајнирање организованих образаца и морфологија; (иии) способност комбиновања различитих типова пора за проширење жељених апликација.

5. Метода шаблонирања емулзије

Како подешавање уљне или водене фазе у емулзији може формирати хијерархијске структуре са величинама пора у распону од нанометара до микрометара? Прекурсори се учвршћују око капљица, а затим се растварачи уклањају испаравањем, што резултира порозним материјалима. У већини случајева, вода је један од растварача. Емулзије се могу формирати распршивањем капљица воде у уљној фази, познате као "емулзије воде у уљу (В/О)" или диспергирањем капљица уља у води, познате као "уље у води (О/В) емулзије“.

За производњу порозних полимера са хидрофилним површинама, В/О емулзије се широко користе за прилагођавање њихових хидрофобних порозних структура. Да би се побољшала хидрофилност, кополимери који се могу функционализовати (као што је винил бензил хлорид) се додају мономерима који се не могу функционализовати (као што је стирен) у емулзији. Подешавањем величине капљица, хијерархијскипорозни материјалиса међусобно повезаним порозностима и непрекидним пречницима пора могу се добити.

6. Метода синтезе зеолита

Како стратегије синтезе зеолита, у комбинацији са другим стратегијама синтезе, могу да генеришу хијерархијске порозне материјале? Стратегије прекомерног раста засноване на контроли одвајања фаза током синтезе зеолита могу се користити за добијање би-микропорозних зеолита са хијерархијским структурама језгро/љуска, који се могу поделити у три типа. Први тип укључује прекомерни раст кроз изоморфна језгра (као што је ЗСМ-5/силикалит-1), где кристали језгра делују као агенси за усмеравање структуре. Други тип је епитаксијални раст, као што су зеолит ЛТА/ФАУ типови, који укључује исте грађевинске јединице са различитим просторним распоредима. У овој методи, због селективног раста слојева зеолита, премазивање се може извршити само на одређеним специфичним површинама кристала. Трећи тип је прерастање на различитим зеолитима, као што су типови ФАУ/МАЗ, БЕА/МФИ и МФИ/АФИ. Ови зеолити се у потпуности састоје од различитих структура зеолита, тако да поседују различите хемијске и структурне карактеристике.

7. Метода шаблонирања колоидних кристала

Како метода шаблонирања колоидних кристала, у поређењу са другим методама, производи материјале са уређеним, периодичним структурама пора у већем распону величина? Порозност генерисана овом методом је директна реплика периодичног низа униформних колоидних честица које се користе као чврсти шаблони, што олакшава конструисање хијерархијских нивоа величине у поређењу са другим методама шаблонирања. Коришћење шаблона колоидних кристала може дати додатну порозност изван састављених колоидних шупљина.

Илустровани су основни кораци шаблонирања колоидних кристала, укључујући формирање шаблона колоидних кристала, инфилтрацију прекурсора и уклањање шаблона. Генерално, могу се генерисати и површинске и запреминске структуре шаблона. Тродимензионалне уређене макропорозне (3ДОМ) структуре генерисане преко површинских шаблона карактеришу међусобно повезане мреже попут „балона“ и стуба.

8. Био-темплатинг Метход

Како су хијерархијскипорозни материјалипроизведени кроз биомиметичке стратегије које директно реплицирају природне материјале или процесе спонтаног склапања? Обе методе се могу дефинисати као био-инспирисани процеси.

Велики избор природних материјала са хијерархијском порозном структуром може се користити директно као био-шаблони због њихове ниске цене и еколошке прихватљивости. Међу овим материјалима, забележене су бактеријске нити, дијатомејске фрустуле, мембране љуске јајета, крила инсеката, зрна полена, лишће биљака, дрвена целулоза, протеински агрегати, паукова свила, дијатомеје и други организми.

9. Метода шаблонирања полимера

Како се полимерне структуре са макропорама могу користити као шаблони за производњу хијерархијских порозних материјала? Макропорозни полимери могу деловати као скеле, са хемијским реакцијама или инфилтрацијом наночестица које се дешавају око или унутар њих, водећи морфологију материјала. Након уклањања полимера, материјал задржава структурне карактеристике оригиналног шаблона.

10. Метода суперкритичног флуида

Како се материјали са добро дефинисаном порозном структуром могу синтетизовати користећи само воду и угљен-диоксид, без потребе за испарљивим органским растварачима, нудећи на тај начин широке изгледе за примену? Уклањање фазе капљица је једноставно јер се угљен-диоксид враћа у гасовито стање након смањења притиска. Суперкритични флуиди, који нису ни гасови ни течности, могу се постепено компримовати од ниске до високе густине. Стога су суперкритични флуиди кључни као подесиви растварачи и реакциони медији у хемијским процесима. Технологија суперкритичног флуида је важан метод за синтезу и обраду хијерархијских порозних материјала.

Семицорек нуди висок квалитетраствори графитаза полупроводничке процесе. Ако имате било каквих питања или су вам потребни додатни детаљи, не устручавајте се да нас контактирате.

Контакт телефон # +86-13567891907

Емаил: салес@семицорек.цом