Hiyerarşik Gözenekli Karbon Malzemeler: Sentez ve Giriş

Hiyerarşikgözenekli malzemelerçok seviyeli gözenek yapılarına sahip olan makro gözenekler (çap> 50 nm), mezo gözenekler (2-50 nm) ve mikro gözenekler (<2 nm) - yüksek spesifik yüzey alanları, yüksek gözenek hacmi oranları, gelişmiş geçirgenlik, düşük kütle transfer özellikleri sergiler ve önemli depolama kapasiteleri. Bu özellikler, kataliz, adsorpsiyon, ayırma, enerji ve yaşam bilimleri dahil olmak üzere çeşitli alanlarda yaygın olarak benimsenmelerine yol açmış ve daha basit gözenekli malzemelere göre üstün performans sergilemiştir.

Doğadan İlham Almak

Hiyerarşik gözenekli malzemelerin birçok tasarımı doğal yapılardan esinlenmiştir. Bu malzemeler kütle transferini artırabilir, seçici geçirgenliği mümkün kılabilir, önemli hidrofilik-hidrofobik ortamlar yaratabilir ve malzemelerin optik özelliklerini modüle edebilir.

Hiyerarşik Sentezleme StratejileriGözenekli Malzemeler

1. Yüzey Aktif Madde Şablonlama Yöntemi

Hiyerarşik mezogözenekli malzemeler oluşturmak için yüzey aktif maddelerden nasıl yararlanabiliriz? Şablon olarak farklı moleküler boyutlarda iki yüzey aktif maddenin kullanılması basit bir stratejidir. Yüzey aktif maddenin kendiliğinden bir araya geldiği moleküler agregatlar veya supramoleküler düzenekler, gözenekli yapılar oluşturmak için yapıyı yönlendiren maddeler olarak kullanılmıştır. Faz ayrımını dikkatli bir şekilde kontrol ederek, ikili yüzey aktif madde şablonlaması kullanılarak hiyerarşik gözenek yapıları sentezlenebilir.

Seyreltilmiş yüzey aktif madde sulu çözeltilerinde, hidrokarbon zincirinin suyla temasının azalması sistemin serbest enerjisini azaltır. Yüzey aktif madde terminal gruplarının hidrofilikliği, birçok yüzey aktif madde molekülü tarafından oluşturulan agregatların tipini, boyutunu ve diğer özelliklerini belirler. Yüzey aktif maddenin sulu çözeltilerinin CMC'si, yüzey aktif maddenin kimyasal yapısı, sıcaklık ve/veya sistemde kullanılan yardımcı çözücüler ile ilgilidir.

Bimodal mezogözenekli silika jelleri, blok kopolimerler (KLE, SE veya F127) ve daha küçük yüzey aktif maddeler (IL, CTAB veya P123) içeren çözeltiler kullanılarak hazırlanır.

2. Çoğaltma Yöntemi

Sentezlemeye klasik yaklaşım nedir?gözenekli karbon malzemeler? Gözenekli karbon için genel şablon çoğaltma prosedürü, bir karbon öncüsü/inorganik şablon kompozitinin hazırlanmasını, karbonizasyonu ve ardından inorganik şablonun çıkarılmasını içerir. Bu yöntem iki kategoriye ayrılabilir. İlk kategori, silika nanopartikülleri gibi inorganik şablonların karbon öncüsü içine yerleştirilmesini içerir. Karbonizasyon ve şablonun çıkarılmasından sonra, elde edilen gözenekli karbon malzemeler, başlangıçta şablon türler tarafından işgal edilen izole edilmiş gözeneklere sahiptir. İkinci yöntem, karbon öncüsünü şablon gözeneklerine sokar. Karbonizasyon ve şablonun çıkarılmasından sonra üretilen gözenekli karbon malzemeler, birbirine bağlı gözenek yapılarına sahiptir.

3. Sol-Jel Yöntemi

Hiyerarşik gözenekli malzemeleri sentezlemek için sol-jel yöntemi nasıl kullanılır? Koloidal parçacık süspansiyonunun (sol) oluşmasıyla başlar, ardından toplanmış sol parçacıklarından oluşan bir jelin oluşumu gelir. Jelin ısıl işlemi, tozlar, lifler, filmler ve monolitler gibi istenen malzeme ve morfolojiyi verir. Öncüler tipik olarak alkoksitler, şelatlı alkoksitler gibi metal organik bileşikler veya metal klorürler, sülfatlar ve nitratlar gibi metal tuzlarıdır. Alkoksitlerin ilk hidrolizi veya koordineli su moleküllerinin protonsuzlaştırılması, reaktif hidroksil gruplarının oluşumuna yol açar; bunlar daha sonra dallanmış oligomerler, polimerler, metal oksit iskeletli çekirdekler ve reaktif artık hidroksil ve alkoksit grupları oluşturmak için yoğunlaşma işlemlerine tabi tutulur.

4. Tedavi Sonrası Yöntem

İkincil gözenekler ekleyerek hiyerarşik gözenekli malzemeleri hazırlamak için hangi son işlem yöntemleri kullanılır? Bu yöntemler genel olarak üç kategoriye ayrılır. İlk kategori ek aşılamayı içerirgözenekli malzemelerOrijinal gözenekli malzemenin üzerine. İkincisi, ek gözenekler elde etmek için orijinal gözenekli malzemenin kimyasal olarak aşındırılmasını veya süzülmesini içerir. Üçüncüsü, yeni gözenekler oluşturmak için kimyasal veya fiziksel yöntemler (çok katmanlı biriktirme ve mürekkep püskürtmeli baskı gibi) kullanılarak gözenekli malzemelerin öncüllerinin (genellikle nanopartiküller) bir araya getirilmesini veya düzenlenmesini içerir. Son arıtmanın önemli avantajları şunlardır: (i) farklı gereksinimleri karşılamak için çeşitli işlevleri tasarlama yeteneği; (ii) düzenli desenler ve morfolojiler tasarlamak için çeşitli yapılar elde etme yeteneği; (iii) istenilen uygulamaları genişletmek için çeşitli gözenek türlerini birleştirme yeteneği.

5. Emülsiyon Şablonlama Yöntemi

Bir emülsiyondaki yağ fazının veya su fazının ayarlanması, nanometreden mikrometreye kadar değişen gözenek boyutlarına sahip hiyerarşik yapıları nasıl oluşturabilir? Öncüller damlacıkların etrafında katılaşır ve daha sonra solventler buharlaşma yoluyla uzaklaştırılır, bu da gözenekli malzemelere neden olur. Çoğu durumda su çözücülerden biridir. Emülsiyonlar, "yağ içinde su (W/O) emülsiyonları" olarak bilinen su damlacıklarının yağ fazında dağıtılmasıyla veya "suda yağ (O/W) olarak bilinen yağ damlacıklarının su içinde dağıtılmasıyla oluşturulabilir. emülsiyonlar."

Hidrofilik yüzeylere sahip gözenekli polimerler üretmek için, bunların hidrofobik gözenekli yapılarını ayarlamak amacıyla W/O emülsiyonları yaygın olarak kullanılır. Hidrofilisiteyi arttırmak için, emülsiyondaki işlevselleştirilemeyen monomerlere (stiren gibi) işlevselleştirilebilir kopolimerler (vinil benzil klorür gibi) eklenir. Damlacık boyutlarını ayarlayarak hiyerarşikgözenekli malzemelerbirbirine bağlı gözenekler ve sürekli gözenek çapları ile elde edilebilir.

6. Zeolit ​​Sentezi Yöntemi

Zeolit ​​sentez stratejileri diğer sentez stratejileriyle birlikte nasıl hiyerarşik gözenekli malzemeler oluşturabilir? Zeolit ​​sentezi sırasında faz ayırma kontrolüne dayalı aşırı büyüme stratejileri, üç tipe ayrılabilen hiyerarşik çekirdek/kabuk yapılarına sahip iki mikro gözenekli zeolitler elde etmek için kullanılabilir. Birinci tip, çekirdek kristallerinin yapıyı yönlendiren maddeler olarak görev yaptığı izomorf çekirdekler (ZSM-5/silikalit-1 gibi) yoluyla aşırı büyümeyi içerir. İkinci tip ise zeolit ​​LTA/FAU tipleri gibi farklı mekansal düzenlemelere sahip aynı bina birimlerini içeren epitaksiyel büyümedir. Bu yöntemde zeolit ​​katmanlarının seçici olarak aşırı büyümesi nedeniyle kaplama yalnızca belirli kristal yüzeylerinde gerçekleştirilebilmektedir. Üçüncü tip ise FAU/MAZ, BEA/MFI ve MFI/AFI tipleri gibi farklı zeolitlerde aşırı büyümedir. Bu zeolitler tamamen farklı zeolit ​​yapılarından oluşur ve dolayısıyla farklı kimyasal ve yapısal özelliklere sahiptir.

7. Kolloidal Kristal Şablonlama Yöntemi

Kolloidal kristal kalıplama yöntemi, diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, daha geniş bir boyut aralığında düzenli, periyodik gözenek yapılarına sahip malzemeleri nasıl üretir? Bu yöntem kullanılarak oluşturulan gözeneklilik, sert şablonlar olarak kullanılan tek biçimli kolloidal parçacıkların periyodik dizisinin doğrudan bir kopyasıdır ve diğer şablon oluşturma yöntemlerine kıyasla hiyerarşik boyut seviyelerinin oluşturulmasını kolaylaştırır. Kolloidal kristal şablonların kullanılması, birleştirilmiş koloidal boşlukların ötesinde ek gözeneklilik sağlayabilir.

Kolloidal kristal şablonlarının oluşturulması, öncül infiltrasyonu ve şablonun çıkarılması dahil olmak üzere koloidal kristal şablonlamanın temel adımları gösterilmiştir. Genel olarak hem yüzey hem de hacim şablon yapıları oluşturulabilir. Yüzey şablonlaması yoluyla oluşturulan üç boyutlu düzenli makro gözenekli (3DOM) yapılar, birbirine bağlı "balon" ve dikme benzeri ağlara sahiptir.

8. Biyo-şablonlama Yöntemi

Hiyerarşik nasılgözenekli malzemelerDoğal malzemeleri veya kendiliğinden montaj süreçlerini doğrudan kopyalayan biyomimetik stratejilerle mi üretildi? Her iki yöntem de biyo-ilhamlı süreçler olarak tanımlanabilir.

Hiyerarşik gözenekli yapılara sahip çok çeşitli doğal malzemeler, düşük maliyetleri ve çevre dostu olmaları nedeniyle doğrudan biyo-şablon olarak kullanılabilir. Bu malzemeler arasında bakteri iplikleri, diatom frustülleri, yumurta kabuğu zarları, böcek kanatları, polen taneleri, bitki yaprakları, odun selülozu, protein agregatları, örümcek ipeği, diatomlar ve diğer organizmalar rapor edilmiştir.

9. Polimer Şablonlama Yöntemi

Makro gözenekli polimer yapıları hiyerarşik gözenekli malzemelerin üretiminde şablon olarak nasıl kullanılabilir? Makro gözenekli polimerler, malzemenin morfolojisini yönlendiren, etraflarında veya içlerinde meydana gelen kimyasal reaksiyonlar veya nanopartiküllerin sızmasıyla iskele görevi görebilir. Polimer çıkarıldıktan sonra malzeme orijinal şablonun yapısal özelliklerini korur.

10. Süperkritik Akışkan Yöntemi

İyi tanımlanmış gözenekli yapılara sahip malzemeler, uçucu organik çözücülere ihtiyaç duymadan, yalnızca su ve karbondioksit kullanılarak nasıl sentezlenebilir ve böylece geniş uygulama olanakları sunulabilir? Damlacık fazının uzaklaştırılması basittir çünkü karbondioksit, basıncın giderilmesi üzerine gaz halindeki duruma geri döner. Ne gaz ne de sıvı olan süperkritik akışkanlar, düşük yoğunluklardan yüksek yoğunluklara doğru kademeli olarak sıkıştırılabilir. Bu nedenle süperkritik akışkanlar, kimyasal proseslerde ayarlanabilir solventler ve reaksiyon ortamı olarak çok önemlidir. Süperkritik akışkan teknolojisi, hiyerarşik gözenekli malzemelerin sentezlenmesi ve işlenmesi için önemli bir yöntemdir.

Semicorex yüksek kalite sunuyorgrafit çözümleriyarı iletken işlemler için. Herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu numarası +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com