Иерархические пористые углеродные материалы: синтез и внедрение

Иерархическийпористые материалы, обладающие многоуровневой пористой структурой - макропоры (диаметр> 50 нм), мезопоры (2-50 нм) и микропоры (<2 нм), - обладают высокой удельной площадью поверхности, высоким соотношением объемов пор, повышенной проницаемостью, низкими характеристиками массообмена. и значительные объемы хранения. Эти свойства привели к их широкому распространению в различных областях, включая катализ, адсорбцию, разделение, энергетику и науки о жизни, демонстрируя превосходные характеристики по сравнению с более простыми пористыми материалами.

Черпая вдохновение из природы

Многие конструкции иерархических пористых материалов вдохновлены природными структурами. Эти материалы могут усиливать массоперенос, обеспечивать избирательное проникновение, создавать значительную гидрофильно-гидрофобную среду и модулировать оптические свойства материалов.

Стратегии синтеза иерархическихПористые материалы

1. Метод шаблонирования поверхностно-активных веществ

Как мы можем использовать поверхностно-активные вещества для формирования иерархических мезопористых материалов? Использование двух поверхностно-активных веществ с разными молекулярными размерами в качестве шаблонов является простой стратегией. Самособирающиеся молекулярные агрегаты поверхностно-активных веществ или супрамолекулярные ансамбли использовались в качестве структурообразующих агентов для построения пористых структур. Тщательно контролируя разделение фаз, можно синтезировать иерархические пористые структуры с использованием шаблонов двойного поверхностно-активного вещества.

В разбавленных водных растворах ПАВ уменьшение контакта углеводородной цепи с водой снижает свободную энергию системы. Гидрофильность концевых групп ПАВ определяет тип, размер и другие характеристики агрегатов, образуемых многими молекулами ПАВ. ККМ водных растворов ПАВ связана с химической структурой ПАВ, температурой и/или сорастворителями, используемыми в системе.

Бимодальные мезопористые силикагели готовят с использованием растворов, содержащих блок-сополимеры (KLE, SE или F127) и более мелкие поверхностно-активные вещества (IL, CTAB или P123).

2. Метод репликации

В чем состоит классический подход к синтезупористые углеродные материалы? Общая процедура репликации шаблона для пористого углерода включает подготовку композита предшественника углерода/неорганического шаблона, карбонизацию и последующее удаление неорганического шаблона. Этот метод можно разделить на две категории. Первая категория включает внедрение неорганических шаблонов в предшественник углерода, таких как наночастицы кремнезема. После карбонизации и удаления темплата полученные пористые углеродные материалы имеют изолированные поры, первоначально занятые частицами темплата. Второй метод вводит прекурсор углерода в поры темплата. Пористые углеродные материалы, образующиеся после карбонизации и удаления темплата, обладают взаимосвязанной пористой структурой.

3. Золь-гель метод.

Как золь-гель метод используется для синтеза иерархических пористых материалов? Он начинается с образования суспензии коллоидных частиц (золя), за которым следует образование геля, состоящего из агрегированных частиц золя. Термическая обработка геля позволяет получить желаемый материал и морфологию, например порошки, волокна, пленки и монолиты. Прекурсорами обычно являются органические соединения металлов, такие как алкоксиды, хелатные алкоксиды или соли металлов, такие как хлориды, сульфаты и нитраты металлов. Первоначальный гидролиз алкоксидов или депротонирование координированных молекул воды приводит к образованию реакционноспособных гидроксильных групп, которые затем подвергаются процессам конденсации с образованием разветвленных олигомеров, полимеров, ядер с металлоксидным скелетом, а также реакционноспособных остаточных гидроксильных и алкоксидных групп.

4. Метод последующей обработки

Какие методы последующей обработки используются для получения иерархических пористых материалов путем введения вторичных пор? Эти методы обычно делятся на три категории. Первая категория предполагает прививку дополнительныхпористые материалына исходный пористый материал. Второй предполагает химическое травление или выщелачивание исходного пористого материала для получения дополнительных пор. Третий предполагает сборку или размещение предшественников пористых материалов (обычно наночастиц) с использованием химических или физических методов (таких как многослойное осаждение и струйная печать) для создания новых пор. Существенными преимуществами последующей обработки являются: (i) возможность разработки различных функциональных возможностей для удовлетворения различных требований; (ii) способность получать разнообразные структуры для создания организованных структур и морфологий; (iii) способность комбинировать различные типы пор для расширения желаемых применений.

5. Метод шаблонирования эмульсии

Как изменение масляной или водной фазы в эмульсии может привести к образованию иерархических структур с размерами пор от нанометров до микрометров? Прекурсоры затвердевают вокруг капель, а затем растворители удаляются путем испарения, в результате чего образуются пористые материалы. В большинстве случаев вода является одним из растворителей. Эмульсии могут быть образованы путем диспергирования капель воды в масляной фазе, известных как «эмульсии вода в масле (В/М)», или путем диспергирования капель масла в воде, известных как «эмульсии масло в воде (М/В). эмульсии».

Для производства пористых полимеров с гидрофильной поверхностью широко используются эмульсии В/М для корректировки их гидрофобной пористой структуры. Для повышения гидрофильности функционализируемые сополимеры (такие как винилбензилхлорид) добавляют к нефункционализируемым мономерам (таким как стирол) в эмульсии. Регулируя размеры капель, иерархическипористые материалымогут быть получены взаимосвязанные пористости и непрерывные диаметры пор.

6. Метод синтеза цеолита.

Как стратегии синтеза цеолита в сочетании с другими стратегиями синтеза могут создавать иерархические пористые материалы? Стратегии зарастания, основанные на контроле разделения фаз во время синтеза цеолита, могут быть использованы для получения бимикропористых цеолитов с иерархической структурой ядро/оболочка, которые можно разделить на три типа. Первый тип включает разрастание изоморфных ядер (таких как ZSM-5/силикалит-1), где кристаллы ядра действуют как агенты, направляющие структуру. Второй тип — эпитаксиальный рост, например, цеолит типа LTA/FAU, с участием одних и тех же строительных блоков с разным пространственным расположением. В этом методе из-за избирательного зарастания слоев цеолита покрытие можно нанести только на определенные конкретные грани кристалла. Третий тип – это разрастание на различных цеолитах, таких как типы FAU/MAZ, BEA/MFI и MFI/AFI. Эти цеолиты полностью состоят из различных цеолитных структур, поэтому обладают различными химическими и структурными характеристиками.

7. Метод шаблонирования коллоидных кристаллов

Как метод шаблонов коллоидных кристаллов по сравнению с другими методами позволяет производить материалы с упорядоченной периодической структурой пор в более широком диапазоне размеров? Пористость, созданная с помощью этого метода, является прямой копией периодического массива однородных коллоидных частиц, используемых в качестве жестких шаблонов, что упрощает построение иерархических уровней размера по сравнению с другими методами шаблонирования. Использование шаблонов коллоидных кристаллов может обеспечить дополнительную пористость за пределами собранных коллоидных пустот.

Проиллюстрированы основные этапы создания шаблонов коллоидных кристаллов, включая формирование шаблонов коллоидных кристаллов, инфильтрацию предшественников и удаление шаблонов. Как правило, можно создавать как поверхностные, так и объемные шаблонные структуры. Трехмерные упорядоченные макропористые структуры (3DOM), созданные с помощью шаблонов поверхности, представляют собой взаимосвязанные сети «баллон» и стойки.

8. Метод биошаблона

Как организованы иерархическиепористые материалыпроизводятся с помощью биомиметических стратегий, которые напрямую копируют природные материалы или процессы спонтанной сборки? Оба метода можно определить как биоинспирированные процессы.

Широкий спектр природных материалов с иерархической пористой структурой может быть использован непосредственно в качестве биошаблонов благодаря их дешевизне и экологичности. Среди этих материалов были обнаружены бактериальные нити, панцири диатомей, оболочки яичной скорлупы, крылья насекомых, пыльцевые зерна, листья растений, древесная целлюлоза, белковые агрегаты, паутина, диатомовые водоросли и другие организмы.

9. Метод полимерного шаблонирования

Как можно использовать полимерные структуры с макропорами в качестве шаблонов для изготовления иерархических пористых материалов? Макропористые полимеры могут действовать как каркасы, вокруг или внутри них происходят химические реакции или проникновение наночастиц, определяя морфологию материала. После удаления полимера материал сохраняет структурные характеристики исходного шаблона.

10. Метод сверхкритической жидкости.

Как можно синтезировать материалы с четко выраженной пористой структурой, используя только воду и углекислый газ, без необходимости использования летучих органических растворителей, что открывает широкие перспективы применения? Удаление капельной фазы является простым, поскольку диоксид углерода переходит в газообразное состояние при сбросе давления. Сверхкритические жидкости, которые не являются ни газами, ни жидкостями, могут постепенно сжиматься от низкой до высокой плотности. Таким образом, сверхкритические жидкости имеют решающее значение в качестве регулируемых растворителей и реакционных сред в химических процессах. Технология сверхкритической жидкости является важным методом синтеза и обработки иерархических пористых материалов.

Semicorex предлагает высококачественныеграфитовые растворыдля полупроводниковых процессов. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон +86-13567891907.

Электронная почта: sales@semicorex.com