Иерархиялық кеуекті көміртекті материалдар: синтез және кіріспе

Иерархиялықкеуекті материалдар, көп деңгейлі кеуекті құрылымдарға ие — макрокеуектер (диаметрі > 50 нм), мезокеуектер (2-50 нм) және микрокеуектер (<2 нм) — жоғары спецификалық бет аумақтарын, жоғары кеуек көлемінің қатынасын, жоғары өткізгіштігін, төмен масса алмасу сипаттамаларын көрсетеді. , және айтарлықтай сақтау сыйымдылығы. Бұл атрибуттар катализ, адсорбция, бөлу, энергия және өмір туралы ғылымдарды қоса алғанда, қарапайым кеуекті материалдардан жоғары өнімділікті көрсете отырып, олардың әртүрлі салаларда кеңінен қолданылуына әкелді.

Табиғаттан шабыт салу

Иерархиялық кеуекті материалдардың көптеген конструкциялары табиғи құрылымдардан шабыттандырады. Бұл материалдар масса алмасуды жақсарта алады, селективті өткізгіштікке мүмкіндік береді, маңызды гидрофильді-гидрофобты орталар жасайды және материалдардың оптикалық қасиеттерін модуляциялайды.

Иерархиялық синтездеу стратегияларыКеуекті материалдар

1. Беттік-активті заттарды қалыпқа келтіру әдісі

Иерархиялық мезокеуекті материалдарды қалыптастыру үшін беттік белсенді заттарды қалай пайдалануға болады? Үлгі ретінде әртүрлі молекулалық өлшемдегі екі беттік белсенді затты қолдану қарапайым стратегия болып табылады. Кеуекті құрылымдарды құру үшін құрылымды бағыттаушы агенттер ретінде беттік-белсенді заттың өздігінен құрастырылған молекулалық агрегаттары немесе супрамолекулалық жинақтар пайдаланылды. Фазалардың бөлінуін мұқият бақылай отырып, иерархиялық кеуекті құрылымдарды қосарлы беттік белсенді затты шаблондау арқылы синтездеуге болады.

Сұйылтылған беттік-активті заттардың сулы ерітінділерінде көмірсутек тізбегінің сумен байланысын азайту жүйенің бос энергиясын азайтады. Беттік-активті заттардың терминалдық топтарының гидрофильділігі көптеген БАЗ молекулалары түзетін агрегаттардың түрін, өлшемін және басқа сипаттамаларын анықтайды. Беттік-белсенді заттың сулы ерітінділерінің CMC жүйесі беттік белсенді заттың химиялық құрылымына, температураға және/немесе жүйеде қолданылатын еріткіштерге байланысты.

Бимодальды мезокеуекті силикагельдер блок-сополимерлері (KLE, SE немесе F127) және кішірек беттік белсенді заттар (IL, CTAB немесе P123) бар ерітінділер арқылы дайындалады.

2. Репликация әдісі

Синтездеудің классикалық тәсілі қандайкеуекті көміртекті материалдар? Кеуекті көміртекті шаблонды репликациялаудың жалпы процедурасы көміртегі прекурсорын/бейорганикалық үлгі композициясын дайындауды, көміртендіруді және бейорганикалық үлгіні кейіннен алып тастауды қамтиды. Бұл әдісті екі санатқа бөлуге болады. Бірінші санат кремний тотығы нанобөлшектері сияқты көміртегі прекурсорының ішіне бейорганикалық үлгілерді енгізуді қамтиды. Көміртендіру және шаблонды жоюдан кейін алынған кеуекті көміртекті материалдарда бастапқыда шаблон түрлері алып жатқан оқшауланған кеуектер болады. Екінші әдіс көміртегі прекурсорын шаблон тесіктеріне енгізеді. Карбонизациядан және шаблонды жоюдан кейін пайда болған кеуекті көміртекті материалдар өзара байланысты кеуекті құрылымдарға ие.

3. Золь-Гель әдісі

Иерархиялық кеуекті материалдарды синтездеу үшін золь-гель әдісі қалай қолданылады? Ол коллоидты бөлшектердің суспензиясының (золь) түзілуінен басталады, содан кейін біріктірілген золь бөлшектерінен тұратын гель түзіледі. Гельді термиялық өңдеу ұнтақтар, талшықтар, пленкалар және монолиттер сияқты қажетті материал мен морфологияны береді. Прекурсорлар әдетте алкоксидтер, хелатталған алкоксидтер немесе металл хлоридтері, сульфаттар және нитраттар сияқты металл тұздары сияқты металл органикалық қосылыстар болып табылады. Алкоксидтердің бастапқы гидролизі немесе үйлестірілген су молекулаларының протонациясы реактивті гидроксил топтарының түзілуіне әкеледі, содан кейін олар тармақталған олигомерлер, полимерлер, металл оксиді қаңқасы бар ядролар және реактивті қалдық гидроксил және алкоксид топтарын қалыптастыру үшін конденсация процестерінен өтеді.

4. Емдеуден кейінгі әдіс

Екіншілік кеуектерді енгізу арқылы иерархиялық кеуекті материалдарды дайындау үшін өңдеуден кейінгі қандай әдістер қолданылады? Бұл әдістер әдетте үш санатқа бөлінеді. Бірінші санат қосымша егуді қамтидыкеуекті материалдарбастапқы кеуекті материалға. Екіншісі қосымша кеуектерді алу үшін бастапқы кеуекті материалды химиялық тазартуды немесе шаймалауды қамтиды. Үшіншісі жаңа кеуектерді жасау үшін химиялық немесе физикалық әдістерді (мысалы, көп қабатты тұндыру және сия бүріккіш басып шығару) пайдалана отырып, кеуекті материалдардың прекурсорларын (әдетте нанобөлшектерді) жинауды немесе реттеуді қамтиды. Емдеуден кейінгі маңызды артықшылықтар мыналар болып табылады: (i) әртүрлі талаптарды қанағаттандыру үшін әртүрлі функцияларды жобалау мүмкіндігі; (ii) ұйымдастырылған үлгілер мен морфологияларды жобалау үшін әртүрлі құрылымдарды алу мүмкіндігі; (iii) қалаған қолданбаларды кеңейту үшін әртүрлі кеуектер түрлерін біріктіру мүмкіндігі.

5. Эмульсияны шаблондау әдісі

Эмульсиядағы май фазасын немесе су фазасын реттеу кеуек өлшемдері нанометрден микрометрге дейінгі иерархиялық құрылымдарды қалай құра алады? Прекурсорлар тамшылардың айналасында қатып қалады, содан кейін еріткіштер булану арқылы жойылады, нәтижесінде кеуекті материалдар пайда болады. Көп жағдайда су еріткіштердің бірі болып табылады. Эмульсиялар «мұнайдағы су (С/О) эмульсиялары» деп аталатын мұнай фазасындағы су тамшыларын дисперсиялау арқылы немесе «судағы мұнай (О/В)» деп аталатын судағы мұнай тамшыларын тарату арқылы түзілуі мүмкін. эмульсиялар».

Гидрофильді беттері бар кеуекті полимерлерді өндіру үшін олардың гидрофобты кеуекті құрылымдарын реттеу үшін W/O эмульсиялары кеңінен қолданылады. Гидрофильділікті арттыру үшін эмульсиядағы функционалдық емес мономерлерге (мысалы, стирол) функционалдық сополимерлер (мысалы, винилбензилхлорид) қосылады. Тамшылардың өлшемдерін реттеу арқылы иерархиялықкеуекті материалдарөзара байланысқан кеуектілермен және үздіксіз кеуектер диаметрлерімен алуға болады.

6. Цеолит синтезі әдісі

Цеолит синтезінің стратегиялары басқа синтез стратегияларымен біріктіріліп, иерархиялық кеуекті материалдарды қалай жасай алады? Цеолит синтезі кезінде фазалардың бөлінуін бақылауға негізделген өсу стратегияларын үш түрге бөлуге болатын иерархиялық ядро/қабық құрылымдары бар би-микрокеуекті цеолиттер алу үшін пайдалануға болады. Бірінші түрі изоморфты өзектер арқылы шамадан тыс өсуді қамтиды (мысалы, ZSM-5/силикалит-1), мұнда ядро ​​кристалдары құрылымды бағыттаушы агенттер ретінде әрекет етеді. Екінші түрі - эпитаксиалды өсу, мысалы, цеолиттік LTA/FAU түрлері, әртүрлі кеңістіктік орналасуы бар бір құрылыс бірліктерін қамтитын. Бұл әдісте цеолит қабаттарының селективті шамадан тыс өсуіне байланысты жабуды тек белгілі бір кристалдық беттерде орындауға болады. Үшінші түрі - FAU/MAZ, BEA/MFI және MFI/AFI типтері сияқты әртүрлі цеолиттерде шамадан тыс өсу. Бұл цеолиттер толығымен әртүрлі цеолиттік құрылымдардан тұрады, осылайша айқын химиялық және құрылымдық сипаттамаларға ие.

7. Коллоидтық кристалды шаблондау әдісі

Басқа әдістермен салыстырғанда коллоидты кристалды шаблондау әдісі үлкен өлшем диапазонында реттелген, мерзімді кеуекті құрылымдары бар материалдарды қалай жасайды? Осы әдісті қолдану арқылы жасалған кеуектілік қатты шаблондар ретінде пайдаланылатын біркелкі коллоидты бөлшектердің мерзімді жиымының тікелей көшірмесі болып табылады, бұл басқа шаблондау әдістерімен салыстырғанда иерархиялық өлшем деңгейлерін құруды жеңілдетеді. Коллоидтық кристалдық шаблондарды пайдалану жиналған коллоидтық бос орындардан тыс қосымша кеуектілікті бере алады.

Коллоидты кристалдық шаблондардың қалыптасуы, прекурсорлардың инфильтрациясы және шаблонды жоюды қоса алғанда, коллоидты кристалды шаблондаудың негізгі қадамдары суреттелген. Әдетте беттік және көлемдік үлгі құрылымдарын жасауға болады. Үш өлшемді реттелген макрокеуекті (3DOM) беттік үлгілеу арқылы жасалған құрылымдар өзара байланысты «шар» және тірек тәрізді желілерді ұсынады.

8. Биошаблондау әдісі

Қалай иерархиялықкеуекті материалдартабиғи материалдарды немесе өздігінен құрастыру процестерін қайталайтын биомиметикалық стратегиялар арқылы өндірілген бе? Екі әдісті де био рухтандырылған процестер ретінде анықтауға болады.

Иерархиялық кеуекті құрылымдары бар табиғи материалдардың алуан түрлілігі төмен құны мен экологиялық тазалығына байланысты тікелей био-шаблондар ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бұл материалдардың ішінде бактериялық жіптер, диатомды талшықтар, жұмыртқа қабықшалары, жәндіктердің қанаттары, тозаң дәндері, өсімдік жапырақтары, ағаш целлюлозасы, ақуыз агрегаттары, өрмекші жібек, диатомдар және басқа да организмдер туралы хабарланған.

9. Полимерді шаблондау әдісі

Иерархиялық кеуекті материалдарды өндіру үшін үлгі ретінде макрокеуектері бар полимер құрылымдарын қалай пайдалануға болады? Макрокеуекті полимерлер материалдың морфологиясын басқара отырып, олардың айналасында немесе ішінде пайда болатын химиялық реакциялар немесе нанобөлшектердің инфильтрациясымен тірек ретінде әрекет ете алады. Полимерді алып тастағаннан кейін материал бастапқы шаблонның құрылымдық сипаттамаларын сақтайды.

10. Суперкритикалық сұйықтық әдісі

Жақсы анықталған кеуекті құрылымдары бар материалдарды ұшпа органикалық еріткіштерді қажет етпей, тек су мен көмірқышқыл газы арқылы қалай синтездеуге болады, осылайша кең қолдану перспективаларын ұсынады? Тамшы фазасын жою оңай, өйткені көмірқышқыл газы қысымсызданған кезде газ күйіне қайтады. Газдар да, сұйықтар да емес суперкритикалық сұйықтықтарды төменнен жоғары тығыздыққа қарай біртіндеп сығуға болады. Сондықтан суперкритикалық сұйықтықтар химиялық процестерде реттелетін еріткіштер мен реакция ортасы ретінде өте маңызды. Суперкритикалық сұйықтық технологиясы иерархиялық кеуекті материалдарды синтездеу және өңдеудің маңызды әдісі болып табылады.

Semicorex жоғары сапаны ұсынадыграфит ерітінділеріжартылай өткізгіш процестер үшін. Егер сізде қандай да бір сұрақтар болса немесе қосымша мәліметтер қажет болса, бізбен байланысудан тартынбаңыз.

Байланыс телефоны +86-13567891907

Электрондық пошта: sales@semicorex.com