Hierarkkiset huokoiset hiilimateriaalit: synteesi ja johdanto

Hierarkkinenhuokoisia materiaaleja, joilla on monitasoiset huokosrakenteet - makrohuokoset (halkaisija > 50 nm), mesohuokoset (2-50 nm) ja mikrohuokoset (<2 nm) - joilla on suuret ominaispinta-alat, suuret huokostilavuussuhteet, parantunut läpäisevyys, alhaiset massansiirto-ominaisuudet , ja huomattavat tallennuskapasiteetit. Nämä ominaisuudet ovat johtaneet niiden laajaan käyttöön eri aloilla, mukaan lukien katalyysi, adsorptio, erotus, energia ja biotieteet, jotka osoittavat ylivoimaista suorituskykyä yksinkertaisempiin huokoisiin materiaaleihin verrattuna.

Inspiraatiota luonnosta

Monet hierarkkisten huokoisten materiaalien mallit ovat saaneet inspiraationsa luonnollisista rakenteista. Nämä materiaalit voivat tehostaa massansiirtoa, mahdollistaa selektiivisen läpäisyn, luoda merkittäviä hydrofiilis-hydrofobisia ympäristöjä ja moduloida materiaalien optisia ominaisuuksia.

Hierarkkisen syntetisointistrategiatHuokoiset materiaalit

1. Pinta-aktiivisen aineen mallinnusmenetelmä

Kuinka voimme käyttää pinta-aktiivisia aineita muodostamaan hierarkkisia mesohuokoisia materiaaleja? Kahden eri molekyylikokoisen pinta-aktiivisen aineen käyttäminen templaatteina on suoraviivainen strategia. Pinta-aktiivisten aineiden itsekokoontuneita molekyyliaggregaatteja tai supramolekulaarisia kokoonpanoja on käytetty rakennetta ohjaavina aineina huokoisten rakenteiden rakentamiseen. Kun faasierottelua valvotaan huolellisesti, hierarkkisia huokosrakenteita voidaan syntetisoida käyttämällä kaksoispinta-aktiivista templointia.

Laimennettujen pinta-aktiivisten aineiden vesiliuoksissa hiilivetyketjukontaktin vähentäminen veden kanssa vähentää järjestelmän vapaata energiaa. Pinta-aktiivisen aineen pääteryhmien hydrofiilisyys määrää monien pinta-aktiivisten aineiden molekyylien muodostamien aggregaattien tyypin, koon ja muut ominaisuudet. Pinta-aktiivisten aineiden vesiliuosten CMC liittyy pinta-aktiivisen aineen kemialliseen rakenteeseen, lämpötilaan ja/tai järjestelmässä käytettyihin apuliuottimiin.

Bimodaaliset mesohuokoiset silikageelit valmistetaan käyttämällä liuoksia, jotka sisältävät lohkokopolymeerejä (KLE, SE tai F127) ja pienempiä pinta-aktiivisia aineita (IL, CTAB tai P123).

2. Replikointimenetelmä

Mikä on klassinen lähestymistapa syntetisointiinhuokoiset hiilimateriaalit? Huokoisen hiilen yleinen mallinereplikointimenettely sisältää hiilen esiaste/epäorgaanisen templaatin komposiitin valmistuksen, karbonoinnin ja sen jälkeen epäorgaanisen templaatin poistamisen. Tämä menetelmä voidaan jakaa kahteen luokkaan. Ensimmäinen luokka sisältää epäorgaanisten mallien, kuten piidioksidin nanohiukkasten, upottamisen hiilen esiasteeseen. Hiiltymisen ja templaatin poistamisen jälkeen tuloksena olevissa huokoisissa hiilimateriaaleissa on eristettyjä huokosia, jotka alun perin valtaavat templaattilajit. Toinen menetelmä tuo hiilen esiasteen mallineen huokosiin. Hiiletyksen ja mallineen poistamisen jälkeen syntyneillä huokoisilla hiilimateriaaleilla on toisiinsa liittyvät huokosrakenteet.

3. Sol-Gel -menetelmä

Miten sooli-geeli -menetelmää käytetään hierarkkisten huokoisten materiaalien syntetisoimiseen? Se alkaa kolloidisen hiukkassuspension (sooli) muodostumisella, jota seuraa aggregoituneista soolihiukkasista koostuvan geelin muodostuminen. Geelin lämpökäsittely tuottaa halutun materiaalin ja morfologian, kuten jauheet, kuidut, kalvot ja monoliitit. Esiasteet ovat tyypillisesti metalliorgaanisia yhdisteitä, kuten alkoksideja, kelatoituneita alkoksideja tai metallisuoloja, kuten metalliklorideja, sulfaatteja ja nitraatteja. Alkuperäinen alkoksidien hydrolyysi tai koordinoitujen vesimolekyylien deprotonointi johtaa reaktiivisten hydroksyyliryhmien muodostumiseen, jotka sitten käyvät läpi kondensaatioprosessien muodostaen haarautuneita oligomeereja, polymeerejä, ytimiä, joissa on metallioksidirunko, ja reaktiivisia jäännöshydroksyyli- ja -alkoksidiryhmiä.

4. Jälkihoitomenetelmä

Mitä jälkikäsittelymenetelmiä käytetään hierarkkisten huokoisten materiaalien valmistukseen lisäämällä sekundäärisiä huokosia? Nämä menetelmät jaetaan yleensä kolmeen luokkaan. Ensimmäiseen luokkaan kuuluu lisävarttaminenhuokoisia materiaalejaalkuperäisen huokoisen materiaalin päälle. Toinen käsittää alkuperäisen huokoisen materiaalin kemiallisen syövytyksen tai liuottamisen lisähuokosten saamiseksi. Kolmas koskee huokoisten materiaalien (yleensä nanohiukkasten) esiasteiden kokoamista tai järjestämistä käyttämällä kemiallisia tai fysikaalisia menetelmiä (kuten monikerrospinnoitusta ja mustesuihkutulostusta) uusien huokosten luomiseksi. Jälkikäsittelyn merkittäviä etuja ovat: (i) kyky suunnitella erilaisia ​​toimintoja vastaamaan erilaisia ​​vaatimuksia; (ii) kyky hankkia erilaisia ​​rakenteita järjestäytyneiden kuvioiden ja morfologioiden suunnittelemiseksi; (iii) kyky yhdistää erityyppisiä huokosia haluttujen sovellusten laajentamiseksi.

5. Emulsiomallinnusmenetelmä

Kuinka öljyfaasin tai vesifaasin säätäminen emulsiossa voi muodostaa hierarkkisia rakenteita, joiden huokoskoot vaihtelevat nanometreistä mikrometriin? Prekursorit jähmettyvät pisaroiden ympärille, ja sitten liuottimet poistetaan haihduttamalla, mikä johtaa huokoisiin materiaaleihin. Useimmissa tapauksissa vesi on yksi liuottimista. Emulsioita voidaan muodostaa dispergoimalla vesipisaroita öljyfaasiin, jotka tunnetaan nimellä "vesi öljyssä (W/O) -emulsiot", tai dispergoimalla öljypisaroita veteen, joka tunnetaan nimellä "öljy vedessä (O/W)" emulsiot."

Hydrofiilisillä pinnoilla varustettujen huokoisten polymeerien valmistuksessa käytetään laajasti W/O-emulsioita säätämään niiden hydrofobisia huokoisia rakenteita. Hydrofiilisyyden parantamiseksi funktionalisoitavia kopolymeerejä (kuten vinyylibentsyylikloridia) lisätään emulsion ei-funktionalisoituviin monomeereihin (kuten styreeniin). Pisaroiden kokoa säätämällä, hierarkkisestihuokoisia materiaalejaHuokoisuudet ja jatkuvat huokoshalkaisijat voidaan saavuttaa.

6. Zeoliitin synteesimenetelmä

Kuinka zeoliitin synteesistrategiat yhdessä muiden synteesistrategioiden kanssa voivat tuottaa hierarkkisia huokoisia materiaaleja? Zeoliittisynteesin aikana tapahtuvaan faasierottumisen säätelyyn perustuvia liikakasvustrategioita voidaan käyttää kaksimikrohuokoisten zeoliittien saamiseksi, joilla on hierarkkiset ydin/kuorirakenteet, jotka voidaan jakaa kolmeen tyyppiin. Ensimmäiseen tyyppiin liittyy liikakasvu isomorfisten ytimien (kuten ZSM-5/silikaliitti-1) kautta, jossa ydinkiteet toimivat rakennetta ohjaavina aineina. Toinen tyyppi on epitaksiaalinen kasvu, kuten zeoliitti LTA/FAU -tyypit, joissa on mukana samat rakennusyksiköt erilaisilla tilajärjestelyillä. Tässä menetelmässä zeoliittikerrosten selektiivisen liikakasvun vuoksi pinnoitus voidaan suorittaa vain tietyille kidepinnoille. Kolmas tyyppi on erilaisten zeoliittien, kuten FAU/MAZ-, BEA/MFI- ja MFI/AFI-tyyppien liikakasvu. Nämä zeoliitit koostuvat kokonaan erilaisista zeoliittirakenteista, joten niillä on erilaiset kemialliset ja rakenteelliset ominaisuudet.

7. Kolloidikidemallinnusmenetelmä

Miten kolloidinen kidemallinnusmenetelmä valmistaa muihin menetelmiin verrattuna materiaaleja, joissa on tilatut, jaksolliset huokosrakenteet suuremmalla kokoalueella? Tällä menetelmällä luotu huokoisuus on suora kopio yhtenäisten kolloidisten hiukkasten jaksoittaisesta ryhmästä, jota käytetään kovina templaatteina, mikä helpottaa hierarkkisten kokotasojen rakentamista muihin mallinnusmenetelmiin verrattuna. Kolloidisten kidemallien käyttäminen voi tuottaa lisähuokoisuutta koottujen kolloidisten onteloiden lisäksi.

Havainnollistetaan kolloidisten kidemallinnuksen perusvaiheita, mukaan lukien kolloidisten kidemallien muodostus, prekursoreiden tunkeutuminen ja templaatin poistaminen. Yleensä voidaan luoda sekä pinta- että tilavuusmallirakenteita. Pintamallinnuksen avulla luodut kolmiulotteiset järjestetyt makrohuokoiset (3DOM) rakenteet sisältävät toisiinsa yhteydessä olevia "ilmapalloja" ja tukimaisia ​​verkkoja.

8. Biomallinnusmenetelmä

Miten ovat hierarkkisiahuokoisia materiaalejavalmistettu biomimeettisten strategioiden avulla, jotka toistavat suoraan luonnollisia materiaaleja tai spontaaneja kokoonpanoprosesseja? Molemmat menetelmät voidaan määritellä biovaikutteisiksi prosesseiksi.

Laaja valikoima luonnonmateriaaleja, joissa on hierarkkiset huokoiset rakenteet, voidaan käyttää suoraan biomallineina niiden edullisten ja ympäristöystävällisyyden vuoksi. Näistä materiaaleista on raportoitu bakteerilankoja, piileviä, munankuoren kalvoja, hyönteisten siipiä, siitepölynjyviä, kasvien lehtiä, puuselluloosaa, proteiiniaggregaatteja, hämähäkkisilkkiä, piileviä ja muita organismeja.

9. Polymeerimallinnusmenetelmä

Kuinka makrohuokoisia polymeerirakenteita voidaan käyttää mallina hierarkkisten huokoisten materiaalien valmistuksessa? Makrohuokoiset polymeerit voivat toimia tukirakenteina, joiden ympärillä tai sisällä tapahtuu kemiallisia reaktioita tai nanohiukkasten tunkeutumista, mikä ohjaa materiaalin morfologiaa. Polymeerin poistamisen jälkeen materiaali säilyttää alkuperäisen mallin rakenteelliset ominaisuudet.

10. Ylikriittinen nestemenetelmä

Kuinka hyvin määritellyn huokoisen rakenteellisia materiaaleja voidaan syntetisoida käyttämällä vain vettä ja hiilidioksidia ilman haihtuvien orgaanisten liuottimien tarvetta, mikä tarjoaa laajat käyttömahdollisuudet? Pisarafaasin poistaminen on yksinkertaista, koska hiilidioksidi palaa kaasumaiseen tilaan paineen alentamisen yhteydessä. Ylikriittisiä nesteitä, jotka eivät ole kaasuja eivätkä nesteitä, voidaan puristaa vähitellen alhaisesta tiheydestä suuriin. Siksi ylikriittiset nesteet ovat tärkeitä viritettävänä liuottimina ja reaktioväliaineina kemiallisissa prosesseissa. Ylikriittinen nesteteknologia on tärkeä menetelmä hierarkkisten huokoisten materiaalien syntetisoinnissa ja käsittelyssä.

Semicorex tarjoaa korkealaatuistagrafiittiratkaisutpuolijohdeprosesseihin. Jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä.

Puhelinnumero +86-13567891907

Sähköposti: sales@semicorex.com