Hiërarchische poreuze koolstofmaterialen: synthese en introductie

Hiërarchischporeuze materialen, met poriestructuren op meerdere niveaus - macroporiën (diameter> 50 nm), mesoporiën (2-50 nm) en microporiën (<2 nm) - vertonen hoge specifieke oppervlakken, hoge porievolumeverhoudingen, verbeterde permeabiliteit en lage massaoverdrachtseigenschappen en aanzienlijke opslagcapaciteiten. Deze eigenschappen hebben geleid tot een wijdverspreide toepassing ervan op verschillende gebieden, waaronder katalyse, adsorptie, scheiding, energie en levenswetenschappen, waarbij superieure prestaties ten opzichte van eenvoudigere poreuze materialen worden getoond.

Inspiratie putten uit de natuur

Veel ontwerpen van hiërarchische poreuze materialen zijn geïnspireerd op natuurlijke structuren. Deze materialen kunnen de massaoverdracht verbeteren, selectieve permeatie mogelijk maken, significante hydrofiele-hydrofobe omgevingen creëren en de optische eigenschappen van materialen moduleren.

Strategieën voor het synthetiseren van hiërarchische structurenPoreuze materialen

1. Methode voor het sjabloneren van oppervlakteactieve stoffen

Hoe kunnen we oppervlakteactieve stoffen gebruiken om hiërarchische mesoporeuze materialen te vormen? Het gebruik van twee oppervlakteactieve stoffen met verschillende moleculaire groottes als sjablonen is een eenvoudige strategie. Zelf-assemblerende moleculaire aggregaten of supramoleculaire samenstellingen van oppervlakteactieve stoffen zijn gebruikt als structuursturende middelen voor het construeren van poreuze structuren. Door de fasescheiding zorgvuldig te controleren, kunnen hiërarchische poriestructuren worden gesynthetiseerd met behulp van duale oppervlakteactieve matrijzen.

In verdunde waterige oplossingen van oppervlakteactieve stoffen vermindert de vermindering van het contact van de koolwaterstofketen met water de vrije energie van het systeem. De hydrofiliciteit van terminale groepen van oppervlakteactieve stoffen bepaalt het type, de grootte en andere kenmerken van de aggregaten die door veel oppervlakteactieve moleculen worden gevormd. De CMC van waterige oplossingen met oppervlakteactieve stoffen houdt verband met de chemische structuur van de oppervlakteactieve stof, de temperatuur en/of de co-oplosmiddelen die in het systeem worden gebruikt.

Bimodale mesoporeuze silicagels worden bereid met behulp van oplossingen die blokcopolymeren (KLE, SE of F127) en kleinere oppervlakteactieve stoffen (IL, CTAB of P123) bevatten.

2. Replicatiemethode

Wat is de klassieke benadering van synthetiseren?poreuze koolstofmaterialen? De algemene replicatieprocedure voor poreuze koolstof omvat het bereiden van een koolstofprecursor/anorganisch matrijscomposiet, carbonisatie en daaropvolgende verwijdering van de anorganische matrijs. Deze methode kan in twee categorieën worden verdeeld. De eerste categorie omvat het inbedden van anorganische sjablonen in de koolstofvoorloper, zoals nanodeeltjes van silica. Na carbonisatie en verwijdering van de sjabloon hebben de resulterende poreuze koolstofmaterialen geïsoleerde poriën die aanvankelijk werden bezet door de sjabloonsoort. De tweede methode introduceert de koolstofvoorloper in de sjabloonporiën. De poreuze koolstofmaterialen die worden gegenereerd na carbonisatie en sjabloonverwijdering bezitten onderling verbonden poriestructuren.

3. Sol-Gel-methode

Hoe wordt de sol-gel-methode gebruikt om hiërarchische poreuze materialen te synthetiseren? Het begint met de vorming van een colloïdale deeltjessuspensie (sol), gevolgd door de vorming van een gel bestaande uit geaggregeerde soldeeltjes. Thermische behandeling van de gel levert het gewenste materiaal en de gewenste morfologie op, zoals poeders, vezels, films en monolieten. Voorlopers zijn doorgaans organische metaalverbindingen, zoals alkoxiden, gecheleerde alkoxiden of metaalzouten zoals metaalchloriden, sulfaten en nitraten. Initiële hydrolyse van alkoxiden of deprotonering van gecoördineerde watermoleculen leidt tot de vorming van reactieve hydroxylgroepen, die vervolgens condensatieprocessen ondergaan om vertakte oligomeren, polymeren, kernen met een metaaloxideskelet en reactieve resterende hydroxyl- en alkoxidegroepen te vormen.

4. Methode voor nabehandeling

Welke nabehandelingsmethoden worden gebruikt om hiërarchische poreuze materialen te bereiden door secundaire poriën te introduceren? Deze methoden vallen over het algemeen in drie categorieën. De eerste categorie omvat het enten van extraporeuze materialenop het oorspronkelijke poreuze materiaal. De tweede omvat het chemisch etsen of uitlogen van het oorspronkelijke poreuze materiaal om extra poriën te verkrijgen. De derde omvat het assembleren of rangschikken van voorlopers van poreuze materialen (meestal nanodeeltjes) met behulp van chemische of fysische methoden (zoals meerlaagse depositie en inkjetprinten) om nieuwe poriën te creëren. De significante voordelen van nabehandeling zijn: (i) de mogelijkheid om verschillende functionaliteiten te ontwerpen om aan verschillende eisen te voldoen; (ii) het vermogen om een ​​verscheidenheid aan structuren te verkrijgen om georganiseerde patronen en morfologieën te ontwerpen; (iii) het vermogen om verschillende soorten poriën te combineren om de gewenste toepassingen uit te breiden.

5. Emulsie-sjabloonmethode

Hoe kan het aanpassen van de oliefase of waterfase in een emulsie hiërarchische structuren vormen met poriegroottes variërend van nanometers tot micrometers? Voorlopers stollen rond druppeltjes en vervolgens worden oplosmiddelen verwijderd door verdamping, wat resulteert in poreuze materialen. In de meeste gevallen is water een van de oplosmiddelen. Emulsies kunnen worden gevormd door waterdruppels in de oliefase te dispergeren, bekend als 'water-in-olie (W/O)-emulsies', of door oliedruppels in water te dispergeren, bekend als 'olie-in-water (O/W) emulsies."

Om poreuze polymeren met hydrofiele oppervlakken te vervaardigen, worden W/O-emulsies op grote schaal gebruikt om hun hydrofobe poreuze structuren aan te passen. Om de hydrofiliteit te verbeteren, worden functionaliteitseerbare copolymeren (zoals vinylbenzylchloride) toegevoegd aan niet-functionaliseerbare monomeren (zoals styreen) in de emulsie. Door druppelgroottes aan te passen, hiërarchischporeuze materialenmet onderling verbonden porositeiten en continue poriediameters kunnen worden verkregen.

6. Zeolietsynthesemethode

Hoe kunnen zeolietsynthesestrategieën, gecombineerd met andere synthesestrategieën, hiërarchische poreuze materialen genereren? Overgroeistrategieën gebaseerd op fasescheidingscontrole tijdens de zeolietsynthese kunnen worden gebruikt om bi-microporeuze zeolieten met hiërarchische kern/schilstructuren te verkrijgen, die in drie typen kunnen worden verdeeld. Het eerste type omvat overgroei door isomorfe kernen (zoals ZSM-5/silicalite-1), waarbij kernkristallen fungeren als structuursturende middelen. Het tweede type is epitaxiale groei, zoals zeoliet LTA/FAU-typen, waarbij dezelfde bouweenheden met verschillende ruimtelijke arrangementen betrokken zijn. Bij deze methode kan, vanwege de selectieve overgroei van zeolietlagen, coating alleen op bepaalde specifieke kristalvlakken worden uitgevoerd. Het derde type is overgroei op verschillende zeolieten, zoals FAU/MAZ-, BEA/MFI- en MFI/AFI-typen. Deze zeolieten zijn volledig samengesteld uit verschillende zeolietstructuren en bezitten dus verschillende chemische en structurele kenmerken.

7. Colloïdale kristalsjabloonmethode

Hoe vervaardigt de colloïdale kristalsjabloonmethode, vergeleken met andere methoden, materialen met geordende, periodieke poriestructuren over een groter bereik? De porositeit die met deze methode wordt gegenereerd, is een directe replica van de periodieke reeks uniforme colloïdale deeltjes die als harde templates worden gebruikt, waardoor het gemakkelijker wordt om hiërarchische grootteniveaus te construeren in vergelijking met andere templatemethoden. Het gebruik van colloïdale kristalsjablonen kan extra porositeit opleveren naast de samengevoegde colloïdale holtes.

De basisstappen van het templaten van colloïdale kristallen worden geïllustreerd, inclusief de vorming van colloïdale kristaltemplates, infiltratie van precursoren en het verwijderen van templates. Over het algemeen kunnen zowel oppervlakte- als volumesjabloonstructuren worden gegenereerd. Driedimensionaal geordende macroporeuze (3DOM) structuren gegenereerd door oppervlaktesjablonen zijn voorzien van onderling verbonden "ballon"- en stutachtige netwerken.

8. Bio-template-methode

Hoe zijn hiërarchischporeuze materialenvervaardigd via biomimetische strategieën die natuurlijke materialen of spontane assemblageprocessen rechtstreeks nabootsen? Beide methoden kunnen worden gedefinieerd als bio-geïnspireerde processen.

Een grote verscheidenheid aan natuurlijke materialen met hiërarchische poreuze structuren kunnen direct als bio-sjablonen worden gebruikt vanwege hun lage kosten en milieuvriendelijkheid. Onder deze materialen zijn bacteriedraden, diatomeeënfrustules, eierschaalmembranen, insectenvleugels, stuifmeelkorrels, plantenbladeren, houtcellulose, eiwitaggregaten, spinnenzijde, diatomeeën en andere organismen gerapporteerd.

9. Polymeersjabloonmethode

Hoe kunnen polymeerstructuren met macroporiën worden gebruikt als sjabloon voor de productie van hiërarchische poreuze materialen? Macroporeuze polymeren kunnen fungeren als steigers, waarbij chemische reacties of infiltratie van nanodeeltjes eromheen of erin plaatsvinden, waardoor de morfologie van het materiaal wordt bepaald. Nadat het polymeer is verwijderd, behoudt het materiaal de structurele kenmerken van de oorspronkelijke sjabloon.

10. Superkritische vloeistofmethode

Hoe kunnen materialen met goed gedefinieerde poreuze structuren worden gesynthetiseerd met alleen water en koolstofdioxide, zonder de noodzaak van vluchtige organische oplosmiddelen, en zo brede toepassingsmogelijkheden bieden? Het verwijderen van de druppelfase is eenvoudig omdat kooldioxide bij het verlagen van de druk terugkeert naar een gasvormige toestand. Superkritische vloeistoffen, die geen gassen of vloeistoffen zijn, kunnen geleidelijk worden gecomprimeerd van lage naar hoge dichtheden. Daarom zijn superkritische vloeistoffen cruciaal als afstembare oplosmiddelen en reactiemedia in chemische processen. Superkritische vloeistoftechnologie is een belangrijke methode voor het synthetiseren en verwerken van hiërarchische poreuze materialen.

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitgrafiet oplossingenvoor halfgeleiderprocessen. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com