Hierarchikus porózus szénanyagok: szintézis és bevezetés

Hierarchikusporózus anyagok, többszintű pórusszerkezettel – makropórusok (átmérő > 50 nm), mezopórusok (2-50 nm) és mikropórusok (<2 nm) – nagy fajlagos felülettel, nagy pórustérfogat-aránnyal, fokozott áteresztőképességgel, alacsony tömegátadási jellemzőkkel rendelkeznek. és jelentős tárolókapacitás. Ezek a tulajdonságok széles körben elterjedtek különböző területeken, beleértve a katalízist, az adszorpciót, az elválasztást, az energiát és az élettudományokat, amelyek kiváló teljesítményt mutatnak az egyszerűbb porózus anyagokkal szemben.

Ihletet merítve a természetből

A hierarchikusan porózus anyagok sok mintáját természetes szerkezetek ihlették. Ezek az anyagok fokozhatják a tömegátadást, lehetővé teszik a szelektív permeációt, jelentős hidrofil-hidrofób környezetet hozhatnak létre, és módosíthatják az anyagok optikai tulajdonságait.

Stratégiák a hierarchikus szintézishezPorózus anyagok

1. Felületaktív anyag sablonozási módszer

Hogyan használhatunk felületaktív anyagokat hierarchikus mezopórusos anyagok kialakítására? Két különböző molekulaméretű felületaktív anyag templátként történő alkalmazása egyértelmű stratégia. Felületaktív anyagokból önösszeálló molekula-aggregátumokat vagy szupramolekuláris egységeket használnak szerkezetirányító szerként porózus szerkezetek felépítéséhez. A fázisszétválasztás gondos ellenőrzésével hierarchikus pórusszerkezetek szintetizálhatók kettős felületaktív sablonnal.

Hígított felületaktív vizes oldatokban a szénhidrogénlánc vízzel való érintkezésének csökkentése csökkenti a rendszer szabad energiáját. A felületaktív anyag terminális csoportjainak hidrofilitása meghatározza a sok felületaktív anyag molekula által alkotott aggregátumok típusát, méretét és egyéb jellemzőit. A felületaktív anyagok vizes oldatainak CMC-je a felületaktív anyag kémiai szerkezetével, a hőmérséklettel és/vagy a rendszerben használt társoldószerekkel függ össze.

A bimodális mezopórusos szilikagéleket blokk-kopolimereket (KLE, SE vagy F127) és kisebb felületaktív anyagokat (IL, CTAB vagy P123) tartalmazó oldatok felhasználásával állítják elő.

2. Replikációs módszer

Mi a szintetizálás klasszikus megközelítéseporózus széntartalmú anyagok? A porózus szénre vonatkozó általános templát-replikációs eljárás magában foglalja a szén prekurzor/szervetlen templát kompozit előállítását, a karbonizálást, majd a szervetlen templát eltávolítását. Ez a módszer két kategóriába sorolható. Az első kategória szervetlen templátok, például szilícium-dioxid nanorészecskék beágyazását foglalja magában a szén-prekurzorba. A karbonizálás és a templát eltávolítása után a keletkező porózus szénanyagok izolált pórusokat tartalmaznak, amelyeket kezdetben a templátfajták foglaltak el. A második módszer a szén-prekurzort bevezeti a sablon pórusaiba. A karbonizálás és a templát eltávolítása után keletkező porózus szénanyagok egymáshoz kapcsolódó pórusszerkezetekkel rendelkeznek.

3. Szol-gél módszer

Hogyan használják a szol-gél módszert hierarchikus porózus anyagok szintetizálására? Kolloid részecskeszuszpenzió (szol) képződésével kezdődik, majd aggregált szolrészecskékből álló gél képződik. A gél hőkezelése a kívánt anyagot és morfológiát eredményezi, például porokat, szálakat, filmeket és monolitokat. A prekurzorok jellemzően fém szerves vegyületek, például alkoxidok, kelátozott alkoxidok vagy fémsók, például fém-kloridok, szulfátok és nitrátok. Az alkoxidok kezdeti hidrolízise vagy a koordinált vízmolekulák deprotonálása reaktív hidroxilcsoportok képződéséhez vezet, amelyek ezután kondenzációs folyamatokon mennek keresztül, és elágazó láncú oligomerek, polimerek, fém-oxid vázzal rendelkező magok, valamint reaktív maradék hidroxil- és alkoxidcsoportok keletkeznek.

4. Utókezelési módszer

Milyen utókezelési módszereket alkalmaznak a hierarchikus porózus anyagok másodlagos pórusok bevezetésével történő előkészítésére? Ezek a módszerek általában három kategóriába sorolhatók. Az első kategória magában foglalja a további oltástporózus anyagokaz eredeti porózus anyagra. A második az eredeti porózus anyag kémiai maratását vagy kilúgozását foglalja magában, hogy további pórusokat kapjunk. A harmadik része a porózus anyagok (általában nanorészecskék) prekurzorainak összeállítása vagy elrendezése kémiai vagy fizikai módszerekkel (például többrétegű leválasztással és tintasugaras nyomtatással), hogy új pórusokat hozzanak létre. Az utókezelés jelentős előnyei a következők: (i) különböző funkciók tervezésének lehetősége a különböző követelményeknek megfelelően; (ii) különféle struktúrák megszerzésének képessége szervezett minták és morfológiák megtervezéséhez; (iii) a különböző típusú pórusok kombinálásának képessége a kívánt alkalmazások kiterjesztése érdekében.

5. Emulziós sablonozási módszer

Hogyan lehet az olajfázis vagy a vízfázis beállítása az emulzióban hierarchikus szerkezeteket kialakítani nanométertől mikrométerig terjedő pórusmérettel? A prekurzorok cseppek körül megszilárdulnak, majd az oldószereket párologtatással eltávolítják, ami porózus anyagokat eredményez. A legtöbb esetben a víz az egyik oldószer. Emulziók állíthatók elő vízcseppek diszpergálásával az olajfázisban, amelyek "víz az olajban (W/O) emulziókként ismertek", vagy olajcseppek vízben való diszpergálásával, úgynevezett "olaj a vízben (O/W)" néven. emulziók."

Hidrofil felületű porózus polimerek gyártásához a W/O emulziókat széles körben alkalmazzák a hidrofób porózus szerkezetük beállítására. A hidrofilitás fokozása érdekében funkcionalizálható kopolimereket (például vinil-benzil-kloridot) adnak az emulzióban lévő nem funkcionalizálható monomerekhez (például sztirolhoz). A cseppméretek beállításával, hierarchikusanporózus anyagokegymással összefüggő porozitásokkal és folytonos pórusátmérőkkel kaphatunk.

6. Zeolit ​​szintézis módszer

Hogyan hozhatnak létre hierarchikus porózus anyagokat a zeolit ​​szintézis stratégiái más szintézis stratégiákkal kombinálva? A zeolit ​​szintézis során a fázisszétválasztás szabályozásán alapuló túlnövekedési stratégiákkal hierarchikus mag/héj szerkezetű bi-mikroporózus zeolitok nyerhetők, amelyek három típusra oszthatók. Az első típus az izomorf magokon (például ZSM-5/szilikalit-1) keresztül történő túlnövekedést jelent, ahol a magkristályok szerkezetirányító szerekként működnek. A második típus az epitaxiális növekedés, mint például a zeolit ​​LTA/FAU típusok, amelyek ugyanazokat az épületegységeket foglalják magukban, eltérő térbeli elrendezéssel. Ennél a módszernél a zeolitrétegek szelektív túlnövekedése miatt a bevonat csak bizonyos meghatározott kristályfelületeken végezhető el. A harmadik típus a különböző zeolitok, például FAU/MAZ, BEA/MFI és MFI/AFI típusú zeolitok túlnövekedése. Ezek a zeolitok teljesen különböző zeolitszerkezetekből állnak, így eltérő kémiai és szerkezeti jellemzőkkel rendelkeznek.

7. Kolloid kristály sablonozási módszer

Hogyan állítható elő a kolloid kristálysablonozási módszer a többi módszerhez képest nagyobb mérettartományban rendezett, periodikus pórusszerkezetű anyagokat? Az ezzel a módszerrel előállított porozitás közvetlen másolata a kemény templátként használt egyenletes kolloid részecskék periodikus tömbjének, ami megkönnyíti a hierarchikus méretszintek felépítését más sablonozási módszerekhez képest. A kolloid kristálysablonok használata további porozitást eredményezhet az összeállított kolloid üregeken túl.

A kolloidkristály-sablonkészítés alapvető lépéseit szemléltetjük, beleértve a kolloid kristálysablonok kialakítását, a prekurzor infiltrációt és a templát eltávolítását. Általában felületi és térfogatsablon-struktúrák is létrehozhatók. A felületsablonnal létrehozott háromdimenziós rendezett makropórusos (3DOM) struktúrák egymáshoz kapcsolódó "ballon" és támaszszerű hálózatokat tartalmaznak.

8. Bio-templációs módszer

Hogyan hierarchikusakporózus anyagokolyan biomimetikai stratégiákkal gyártják, amelyek közvetlenül megismétlik a természetes anyagokat vagy a spontán összeszerelési folyamatokat? Mindkét módszer bioinspirált folyamatként definiálható.

A hierarchikus porózus szerkezetű természetes anyagok széles választéka alacsony költségük és környezetbarát jellegük miatt közvetlenül felhasználható biosablonként. Ezen anyagok közül bakteriális fonalakat, kovaalkat, tojáshéj membránokat, rovarszárnyakat, pollenszemeket, növényi leveleket, fa cellulózt, fehérje-aggregátumokat, pók selymet, kovamoszatot és más organizmusokat jelentettek.

9. Polimer sablonozási módszer

Hogyan használhatók a makropórusos polimer szerkezetek sablonként hierarchikus porózus anyagok gyártásához? A makropórusos polimerek állványként működhetnek, körülöttük vagy belül kémiai reakciókkal vagy nanorészecskék beszivárgásával, amelyek irányítják az anyag morfológiáját. A polimer eltávolítása után az anyag megőrzi az eredeti sablon szerkezeti jellemzőit.

10. Szuperkritikus folyadék módszer

Hogyan lehet jól körülhatárolt porózus szerkezetű anyagokat szintetizálni csak víz és szén-dioxid felhasználásával, illékony szerves oldószerek nélkül, így széleskörű alkalmazási lehetőségeket kínálva? A cseppfázis eltávolítása egyszerű, mivel a szén-dioxid nyomáscsökkentéskor visszaáll gáz halmazállapotúvá. A szuperkritikus folyadékok, amelyek nem gázok és nem folyadékok, fokozatosan tömöríthetők alacsony sűrűségről nagyra. Ezért a szuperkritikus folyadékok kulcsfontosságúak, mint hangolható oldószerek és reakcióközegek a kémiai folyamatokban. A szuperkritikus folyadéktechnológia fontos módszer a hierarchikus porózus anyagok szintetizálására és feldolgozására.

A Semicorex kiváló minőséget kínálgrafit oldatokfélvezető folyamatokhoz. Ha kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, kérjük, ne habozzon kapcsolatba lépni velünk.

Telefonszám: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com