Ιεραρχικά πορώδη υλικά άνθρακα: Σύνθεση και εισαγωγή

Ιεραρχικόςπορώδη υλικά, που διαθέτουν δομές πόρων πολλαπλών επιπέδων - μακροπόροι (διάμετρος > 50 nm), μεσόποροι (2-50 nm) και μικροπόροι (<2 nm) - παρουσιάζουν υψηλές ειδικές επιφάνειες, υψηλές αναλογίες όγκου πόρων, ενισχυμένη διαπερατότητα, χαρακτηριστικά μεταφοράς χαμηλής μάζας , και σημαντικές αποθηκευτικές δυνατότητες. Αυτά τα χαρακτηριστικά οδήγησαν στην ευρεία υιοθέτησή τους σε διάφορα πεδία, συμπεριλαμβανομένης της κατάλυσης, της προσρόφησης, του διαχωρισμού, της ενέργειας και των βιοεπιστημών, επιδεικνύοντας ανώτερη απόδοση σε σχέση με απλούστερα πορώδη υλικά.

Αντλώντας έμπνευση από τη φύση

Πολλά σχέδια από ιεραρχικά πορώδη υλικά είναι εμπνευσμένα από φυσικές κατασκευές. Αυτά τα υλικά μπορούν να ενισχύσουν τη μεταφορά μάζας, να επιτρέψουν την επιλεκτική διείσδυση, να δημιουργήσουν σημαντικά υδρόφιλα-υδρόφοβα περιβάλλοντα και να ρυθμίσουν τις οπτικές ιδιότητες των υλικών.

Στρατηγικές Σύνθεσης ΙεραρχικώνΠορώδη Υλικά

1. Μέθοδος μορφοποίησης επιφανειοδραστικών

Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τασιενεργά για να σχηματίσουμε ιεραρχικά μεσοπορώδη υλικά; Η χρήση δύο τασιενεργών διαφορετικών μοριακών μεγεθών ως εκμαγείων είναι μια απλή στρατηγική. Τα αυτοσυναρμολογούμενα μοριακά συσσωματώματα επιφανειοδραστικών ή υπερμοριακά συγκροτήματα έχουν χρησιμοποιηθεί ως παράγοντες που κατευθύνουν τη δομή για την κατασκευή πορωδών δομών. Με τον προσεκτικό έλεγχο του διαχωρισμού φάσεων, οι ιεραρχικές δομές πόρων μπορούν να συντεθούν με τη χρήση διπλού επιφανειοδραστικού εκμαγείου.

Σε αραιωμένα υδατικά διαλύματα τασιενεργών, η μείωση της επαφής της αλυσίδας υδρογονανθράκων με το νερό μειώνει την ελεύθερη ενέργεια του συστήματος. Η υδροφιλία των τερματικών ομάδων επιφανειοδραστικών ουσιών καθορίζει τον τύπο, το μέγεθος και άλλα χαρακτηριστικά των συσσωματωμάτων που σχηματίζονται από πολλά μόρια τασιενεργού. Το CMC των υδατικών διαλυμάτων τασιενεργών σχετίζεται με τη χημική δομή του τασιενεργού, τη θερμοκρασία ή/και τους συνδιαλύτες που χρησιμοποιούνται στο σύστημα.

Τα διτροπικά μεσοπορώδη πηκτώματα πυριτίας παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας διαλύματα που περιέχουν συμπολυμερή κατά συστάδες (KLE, SE ή F127) και μικρότερα επιφανειοδραστικά (IL, CTAB ή P123).

2. Μέθοδος αντιγραφής

Ποια είναι η κλασική προσέγγιση στη σύνθεσηπορώδη υλικά άνθρακα? Η γενική διαδικασία αντιγραφής μήτρας για πορώδη άνθρακα περιλαμβάνει την προετοιμασία ενός σύνθετου προδρόμου άνθρακα/ανόργανου εκμαγείου, την ενανθράκωση και την επακόλουθη αφαίρεση του ανόργανου εκμαγείου. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει την ενσωμάτωση ανόργανων προτύπων μέσα στον πρόδρομο άνθρακα, όπως νανοσωματίδια πυριτίου. Μετά την ενανθράκωση και την αφαίρεση του εκμαγείου, τα προκύπτοντα πορώδη υλικά άνθρακα έχουν απομονωμένους πόρους που καταλαμβάνονταν αρχικά από τα είδη εκμαγείου. Η δεύτερη μέθοδος εισάγει τον πρόδρομο άνθρακα στους πόρους του εκμαγείου. Τα πορώδη υλικά άνθρακα που παράγονται μετά την ενανθράκωση και την αφαίρεση του προτύπου διαθέτουν διασυνδεδεμένες δομές πόρων.

3. Μέθοδος Sol-Gel

Πώς χρησιμοποιείται η μέθοδος sol-gel για τη σύνθεση ιεραρχικών πορωδών υλικών; Ξεκινά με το σχηματισμό ενός κολλοειδούς αιωρήματος σωματιδίων (sol), που ακολουθείται από το σχηματισμό ενός πηκτώματος που αποτελείται από συσσωματωμένα σωματίδια κολλοειδούς διαλύματος. Η θερμική επεξεργασία της γέλης αποδίδει το επιθυμητό υλικό και μορφολογία, όπως σκόνες, ίνες, μεμβράνες και μονόλιθους. Οι πρόδρομοι είναι συνήθως οργανικές ενώσεις μετάλλων, όπως αλκοξείδια, χηλικά αλκοξείδια ή άλατα μετάλλων όπως χλωριούχα μέταλλα, θειικά και νιτρικά άλατα. Η αρχική υδρόλυση αλκοξειδίων ή η αποπρωτονίωση των συντονισμένων μορίων νερού οδηγεί στο σχηματισμό αντιδραστικών υδροξυλομάδων, οι οποίες στη συνέχεια υφίστανται διεργασίες συμπύκνωσης για να σχηματίσουν διακλαδισμένα ολιγομερή, πολυμερή, πυρήνες με σκελετό μεταλλικού οξειδίου και αντιδραστικές υπολειμματικές ομάδες υδροξυλίου και αλκοξειδίου.

4. Μέθοδος μετά τη θεραπεία

Ποιες μέθοδοι μετα-επεξεργασίας χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ιεραρχικών πορωδών υλικών με την εισαγωγή δευτερογενών πόρων; Αυτές οι μέθοδοι εμπίπτουν γενικά σε τρεις κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει εμβολιασμό επιπλέονπορώδη υλικάπάνω στο αρχικό πορώδες υλικό. Το δεύτερο περιλαμβάνει χημική χάραξη ή έκπλυση του αρχικού πορώδους υλικού για τη λήψη πρόσθετων πόρων. Το τρίτο περιλαμβάνει τη συναρμολόγηση ή τη διάταξη προδρόμων πορωδών υλικών (συνήθως νανοσωματιδίων) με χρήση χημικών ή φυσικών μεθόδων (όπως η εναπόθεση πολλαπλών στρώσεων και η εκτύπωση inkjet) για τη δημιουργία νέων πόρων. Τα σημαντικά πλεονεκτήματα της μετα-θεραπείας είναι: (i) η ικανότητα σχεδιασμού διαφόρων λειτουργιών για την κάλυψη διαφορετικών απαιτήσεων. (ii) την ικανότητα απόκτησης μιας ποικιλίας δομών για το σχεδιασμό οργανωμένων προτύπων και μορφολογιών. (iii) τη δυνατότητα συνδυασμού διαφόρων τύπων πόρων για την επέκταση των επιθυμητών εφαρμογών.

5. Μέθοδος διαμόρφωσης γαλακτώματος

Πώς μπορεί η ρύθμιση της ελαιώδους φάσης ή της υδατικής φάσης σε ένα γαλάκτωμα να σχηματίσει ιεραρχικές δομές με μεγέθη πόρων που κυμαίνονται από νανόμετρα έως μικρόμετρα; Οι πρόδρομοι στερεοποιούνται γύρω από τα σταγονίδια και στη συνέχεια οι διαλύτες απομακρύνονται μέσω της εξάτμισης, με αποτέλεσμα τα πορώδη υλικά. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το νερό είναι ένας από τους διαλύτες. Τα γαλακτώματα μπορούν να σχηματιστούν με διασπορά σταγονιδίων νερού στη φάση ελαίου, γνωστά ως "γαλακτώματα νερό σε λάδι (W/O)" ή με διασπορά σταγονιδίων λαδιού στο νερό, γνωστά ως "έλαιο σε νερό (O/W) γαλακτώματα».

Για την κατασκευή πορωδών πολυμερών με υδρόφιλες επιφάνειες, τα γαλακτώματα W/O χρησιμοποιούνται ευρέως για τη ρύθμιση των υδρόφοβων πορωδών δομών τους. Για να ενισχυθεί η υδροφιλία, τα λειτουργικά συμπολυμερή (όπως το βινυλοβενζυλοχλωρίδιο) προστίθενται σε μη λειτουργικά μονομερή (όπως το στυρόλιο) στο γαλάκτωμα. Προσαρμόζοντας τα μεγέθη των σταγονιδίων, ιεραρχικάπορώδη υλικάμε διασυνδεδεμένα πορώδες και συνεχείς διαμέτρους πόρων μπορούν να ληφθούν.

6. Μέθοδος Σύνθεσης Ζεόλιθου

Πώς μπορούν οι στρατηγικές σύνθεσης ζεόλιθου, σε συνδυασμό με άλλες στρατηγικές σύνθεσης, να δημιουργήσουν ιεραρχικά πορώδη υλικά; Οι στρατηγικές υπερανάπτυξης που βασίζονται στον έλεγχο διαχωρισμού φάσεων κατά τη σύνθεση ζεόλιθου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη διμικροπορωδών ζεόλιθων με ιεραρχικές δομές πυρήνα/κελύφους, οι οποίοι μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους. Ο πρώτος τύπος περιλαμβάνει υπερανάπτυξη μέσω ισομορφών πυρήνων (όπως το ZSM-5/silicalite-1), όπου οι κρύσταλλοι του πυρήνα δρουν ως παράγοντες που κατευθύνουν τη δομή. Ο δεύτερος τύπος είναι η επιταξιακή ανάπτυξη, όπως οι τύποι LTA/FAU ζεόλιθου, που περιλαμβάνουν τις ίδιες κτιριακές μονάδες με διαφορετικές χωρικές διατάξεις. Σε αυτή τη μέθοδο, λόγω της επιλεκτικής υπερανάπτυξης των στρωμάτων ζεόλιθου, η επίστρωση μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε ορισμένες συγκεκριμένες κρυσταλλικές επιφάνειες. Ο τρίτος τύπος είναι η υπερανάπτυξη σε διαφορετικούς ζεόλιθους, όπως τύπους FAU/MAZ, BEA/MFI και MFI/AFI. Αυτοί οι ζεόλιθοι αποτελούνται εξ ολοκλήρου από διαφορετικές δομές ζεόλιθου, κατέχοντας έτσι διακριτά χημικά και δομικά χαρακτηριστικά.

7. Μέθοδος τυποποίησης κολλοειδών κρυστάλλων

Πώς η μέθοδος μορφοποίησης κολλοειδών κρυστάλλων, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, κατασκευάζει υλικά με διατεταγμένες, περιοδικές δομές πόρων σε μεγαλύτερο εύρος μεγεθών; Το πορώδες που δημιουργείται χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο είναι ένα άμεσο αντίγραφο της περιοδικής διάταξης ομοιόμορφων κολλοειδών σωματιδίων που χρησιμοποιούνται ως σκληρά πρότυπα, καθιστώντας ευκολότερη την κατασκευή ιεραρχικών επιπέδων μεγέθους σε σύγκριση με άλλες μεθόδους τυποποίησης. Η χρήση προτύπων κολλοειδών κρυστάλλων μπορεί να δώσει επιπλέον πορώδες πέρα ​​από τα συναρμολογημένα κολλοειδή κενά.

Τα βασικά βήματα της μορφοποίησης κολλοειδών κρυστάλλων απεικονίζονται, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού προτύπων κολλοειδών κρυστάλλων, της διείσδυσης προδρόμου και της αφαίρεσης προτύπου. Γενικά, μπορούν να δημιουργηθούν και οι δύο δομές προτύπων επιφάνειας και όγκου. Οι τρισδιάστατες διατεταγμένες μακροπορώδεις δομές (3DOM) που δημιουργούνται μέσω προτύπων επιφανειών διαθέτουν διασυνδεδεμένα δίκτυα «μπαλονιού» και δοκών.

8. Μέθοδος Bio-templating

Πώς είναι ιεραρχικάπορώδη υλικάκατασκευάζονται μέσω βιομιμητικών στρατηγικών που αναπαράγουν άμεσα φυσικά υλικά ή διαδικασίες αυθόρμητης συναρμολόγησης; Και οι δύο μέθοδοι μπορούν να οριστούν ως διαδικασίες βιολογικής έμπνευσης.

Μια μεγάλη ποικιλία φυσικών υλικών με ιεραρχικές πορώδεις δομές μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως βιολογικά πρότυπα λόγω του χαμηλού κόστους και της φιλικότητας προς το περιβάλλον. Μεταξύ αυτών των υλικών, έχουν αναφερθεί βακτηριακά νήματα, κρούστες διατόμων, μεμβράνες κελύφους αυγών, φτερά εντόμων, κόκκοι γύρης, φύλλα φυτών, κυτταρίνη ξύλου, πρωτεϊνικά συσσωματώματα, μετάξι αράχνης, διάτομα και άλλοι οργανισμοί.

9. Μέθοδος μορφοποίησης πολυμερούς

Πώς μπορούν οι πολυμερείς δομές με μακροπόρους να χρησιμοποιηθούν ως πρότυπα για την κατασκευή ιεραρχικών πορωδών υλικών; Τα μακροπορώδη πολυμερή μπορούν να λειτουργήσουν ως ικριώματα, με χημικές αντιδράσεις ή διείσδυση νανοσωματιδίων να συμβαίνουν γύρω ή μέσα τους, καθοδηγώντας τη μορφολογία του υλικού. Αφού αφαιρεθεί το πολυμερές, το υλικό διατηρεί τα δομικά χαρακτηριστικά του αρχικού προτύπου.

10. Μέθοδος Υπερκρίσιμου Ρευστού

Πώς μπορούν να συντεθούν υλικά με καλά καθορισμένες πορώδεις δομές χρησιμοποιώντας μόνο νερό και διοξείδιο του άνθρακα, χωρίς την ανάγκη πτητικών οργανικών διαλυτών, προσφέροντας έτσι ευρείες προοπτικές εφαρμογής; Η απομάκρυνση της φάσης σταγονιδίων είναι απλή επειδή το διοξείδιο του άνθρακα επανέρχεται σε αέρια κατάσταση κατά την αποσυμπίεση. Τα υπερκρίσιμα ρευστά, που δεν είναι ούτε αέρια ούτε υγρά, μπορούν να συμπιεστούν σταδιακά από χαμηλή σε υψηλή πυκνότητα. Επομένως, τα υπερκρίσιμα ρευστά είναι ζωτικής σημασίας ως συντονίσιμοι διαλύτες και μέσα αντίδρασης σε χημικές διεργασίες. Η τεχνολογία υπερκρίσιμου υγρού είναι μια σημαντική μέθοδος για τη σύνθεση και την επεξεργασία ιεραρχικών πορωδών υλικών.

Το Semicorex προσφέρει υψηλή ποιότηταδιαλύματα γραφίτηγια διεργασίες ημιαγωγών. Εάν έχετε οποιαδήποτε απορία ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com