Hierarkiska porösa kolmaterial: syntes och introduktion

Hierarkiskporösa material, som har porstrukturer i flera nivåer - makroporer (diameter > 50 nm), mesoporer (2-50 nm) och mikroporer (<2 nm) - uppvisar höga specifika ytareor, höga porvolymförhållanden, förbättrad permeabilitet, låga massöverföringsegenskaper och betydande lagringskapacitet. Dessa attribut har lett till att de har anammats i många olika områden, inklusive katalys, adsorption, separation, energi och biovetenskap, vilket visar överlägsen prestanda jämfört med enklare porösa material.

Att hämta inspiration från naturen

Många mönster av hierarkiska porösa material är inspirerade av naturliga strukturer. Dessa material kan förbättra massöverföring, möjliggöra selektiv genomträngning, skapa betydande hydrofila-hydrofoba miljöer och modulera de optiska egenskaperna hos material.

Strategier för att syntetisera hierarkiskaPorösa material

1. Metod för mall för ytaktiva ämnen

Hur kan vi använda ytaktiva ämnen för att bilda hierarkiska mesoporösa material? Att använda två ytaktiva ämnen av olika molekylstorlek som mallar är en enkel strategi. Surfaktant självmonterade molekylära aggregat eller supramolekylära aggregat har använts som strukturriktande medel för att konstruera porösa strukturer. Genom att noggrant kontrollera fasseparationen kan hierarkiska porstrukturer syntetiseras med användning av dubbla ytaktiva schabloner.

I utspädda ytaktiva vattenlösningar minskar minskningen av kolvätekedjekontakt med vatten systemets fria energi. Hydrofiliciteten hos ytaktiva ändgrupper bestämmer typen, storleken och andra egenskaper hos aggregaten som bildas av många ytaktiva molekyler. CMC för ytaktiva vattenlösningar är relaterad till den kemiska strukturen hos det ytaktiva ämnet, temperaturen och/eller hjälplösningsmedlen som används i systemet.

Bimodala mesoporösa kiselgeler framställs med hjälp av lösningar som innehåller segmentsampolymerer (KLE, SE eller F127) och mindre ytaktiva ämnen (IL, CTAB eller P123).

2. Replikeringsmetod

Vad är det klassiska sättet att syntetiseraporösa kolmaterial? Den allmänna mallreplikeringsproceduren för poröst kol involverar framställning av en kolprekursor/oorganisk mallkomposit, förkolning och efterföljande avlägsnande av den oorganiska mallen. Denna metod kan delas in i två kategorier. Den första kategorin innebär inbäddning av oorganiska mallar i kolprekursorn, såsom nanopartiklar av kiseldioxid. Efter karbonisering och schablonavlägsnande har de resulterande porösa kolmaterialen isolerade porer som initialt är upptagna av schablonen. Den andra metoden introducerar kolprekursorn i mallporerna. De porösa kolmaterialen som genereras efter karbonisering och mallborttagning har sammankopplade porstrukturer.

3. Sol-Gel-metod

Hur används sol-gel-metoden för att syntetisera hierarkiska porösa material? Det börjar med bildandet av en kolloidal partikelsuspension (sol), följt av bildandet av en gel som består av aggregerade solpartiklar. Termisk behandling av gelén ger önskat material och morfologi, såsom pulver, fibrer, filmer och monoliter. Prekursorer är typiskt organiska metallföreningar, såsom alkoxider, kelaterade alkoxider eller metallsalter som metallklorider, sulfater och nitrater. Initial hydrolys av alkoxider eller deprotonering av koordinerade vattenmolekyler leder till bildandet av reaktiva hydroxylgrupper, som sedan genomgår kondensationsprocesser för att bilda grenade oligomerer, polymerer, kärnor med ett metalloxidskelett och reaktiva kvarvarande hydroxyl- och alkoxidgrupper.

4. Efterbehandlingsmetod

Vilka efterbehandlingsmetoder används för att framställa hierarkiska porösa material genom att introducera sekundära porer? Dessa metoder delas i allmänhet in i tre kategorier. Den första kategorin innebär ympning ytterligareporösa materialpå det ursprungliga porösa materialet. Den andra involverar kemisk etsning eller urlakning av det ursprungliga porösa materialet för att erhålla ytterligare porer. Den tredje innebär att man sätter ihop eller arrangerar prekursorer av porösa material (vanligtvis nanopartiklar) med hjälp av kemiska eller fysikaliska metoder (som flerskiktsavsättning och bläckstråleutskrift) för att skapa nya porer. De betydande fördelarna med efterbehandling är: (i) förmågan att designa olika funktionaliteter för att möta olika krav; (ii) förmågan att erhålla en mängd olika strukturer för att utforma organiserade mönster och morfologier; (iii) förmågan att kombinera olika typer av porer för att utöka de önskade applikationerna.

5. Emulsionsmallmetod

Hur kan justering av oljefasen eller vattenfasen i en emulsion bilda hierarkiska strukturer med porstorlekar som sträcker sig från nanometer till mikrometer? Prekursorer stelnar runt droppar, och sedan avlägsnas lösningsmedel genom avdunstning, vilket resulterar i porösa material. I de flesta fall är vatten ett av lösningsmedlen. Emulsioner kan bildas genom att dispergera vattendroppar i oljefasen, kända som "vatten-i-olja (W/O) emulsioner", eller genom att dispergera oljedroppar i vatten, kända som "olja-i-vatten (O/W) emulsioner."

För att tillverka porösa polymerer med hydrofila ytor används W/O-emulsioner i stor utsträckning för att justera deras hydrofoba porösa strukturer. För att öka hydrofilicitet tillsätts funktionaliserbara sampolymerer (såsom vinylbensylklorid) till icke-funktionaliserbara monomerer (såsom styren) i emulsionen. Genom att justera droppstorlekar, hierarkisktporösa materialmed sammankopplade porositeter och kontinuerliga pordiametrar kan erhållas.

6. Zeolitsyntesmetod

Hur kan zeolitsyntesstrategier, i kombination med andra syntesstrategier, generera hierarkiska porösa material? Överväxtstrategier baserade på fasseparationskontroll under zeolitsyntes kan användas för att erhålla bi-mikroporösa zeoliter med hierarkiska kärna/skalstrukturer, som kan delas in i tre typer. Den första typen involverar överväxt genom isomorfa kärnor (som ZSM-5/silicalite-1), där kärnkristaller fungerar som strukturstyrande medel. Den andra typen är epitaxiell tillväxt, såsom zeolit ​​LTA/FAU-typer, som involverar samma byggnadsenheter med olika rumsliga arrangemang. I denna metod, på grund av selektiv överväxt av zeolitskikt, kan beläggning endast utföras på vissa specifika kristallytor. Den tredje typen är igenväxning på olika zeoliter, såsom FAU/MAZ, BEA/MFI och MFI/AFI-typer. Dessa zeoliter är helt sammansatta av olika zeolitstrukturer och har således distinkta kemiska och strukturella egenskaper.

7. Colloidal Crystal Template Method

Hur tillverkar den kolloidala kristallmallmetoden, jämfört med andra metoder, material med ordnade, periodiska porstrukturer över ett större storleksintervall? Porositeten som genereras med denna metod är en direkt kopia av den periodiska uppsättningen av enhetliga kolloidala partiklar som används som hårda mallar, vilket gör det lättare att konstruera hierarkiska storleksnivåer jämfört med andra mallmetoder. Att använda kolloidala kristallmallar kan ge ytterligare porositet bortom de sammansatta kolloidala tomrummen.

De grundläggande stegen av kolloidala kristallmallar illustreras, inklusive bildandet av kolloidala kristallmallar, prekursorinfiltration och mallborttagning. Generellt kan både yt- och volymmallstrukturer genereras. Tredimensionellt ordnade makroporösa (3DOM) strukturer som genereras genom ytmallar har sammankopplade "ballong" och strutliknande nätverk.

8. Metod för biotempering

Hur är hierarkiskaporösa materialtillverkas genom biomimetiska strategier som direkt replikerar naturliga material eller spontana monteringsprocesser? Båda metoderna kan definieras som bioinspirerade processer.

Ett brett utbud av naturliga material med hierarkiska porösa strukturer kan användas direkt som biomallar på grund av deras låga kostnad och miljövänlighet. Bland dessa material har bakterietrådar, kiselalger, äggskalsmembran, insektsvingar, pollenkorn, växtblad, träcellulosa, proteinaggregat, spindelsilke, kiselalger och andra organismer rapporterats.

9. Polymermallingsmetod

Hur kan polymerstrukturer med makroporer användas som mallar för tillverkning av hierarkiska porösa material? Makroporösa polymerer kan fungera som byggnadsställningar, med kemiska reaktioner eller infiltration av nanopartiklar som förekommer runt eller inom dem, som styr materialets morfologi. Efter att polymeren har tagits bort behåller materialet de strukturella egenskaperna hos den ursprungliga mallen.

10. Superkritisk vätskemetod

Hur kan material med väldefinierade porösa strukturer syntetiseras med enbart vatten och koldioxid, utan behov av flyktiga organiska lösningsmedel, och därmed erbjuda breda tillämpningsmöjligheter? Avlägsnandet av droppfasen är enkel eftersom koldioxid återgår till ett gasformigt tillstånd vid trycksänkning. Superkritiska vätskor, som varken är gaser eller vätskor, kan gradvis komprimeras från låg till hög densitet. Därför är superkritiska vätskor avgörande som avstämbara lösningsmedel och reaktionsmedia i kemiska processer. Superkritisk vätsketeknologi är en viktig metod för att syntetisera och bearbeta hierarkiska porösa material.

Semicorex erbjuder hög kvalitetgrafitlösningarför halvledarprocesser. Om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakta telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com