مواد کربن متخلخل سلسله مراتبی: سنتز و مقدمه

سلسله مراتبیمواد متخلخلدارای ساختارهای منافذ چند سطحی - درشت منافذ (قطر > 50 نانومتر)، مزوپورها (2 تا 50 نانومتر) و ریز منافذ (<2 نانومتر) - دارای سطح ویژه بالا، نسبت حجم منافذ بالا، نفوذپذیری افزایش یافته، ویژگی‌های انتقال جرم کم هستند. و ظرفیت های ذخیره سازی قابل توجه. این ویژگی‌ها منجر به پذیرش گسترده آن‌ها در زمینه‌های مختلف، از جمله کاتالیز، جذب، جداسازی، انرژی و علوم زیستی شده است که عملکرد برتر را نسبت به مواد متخلخل ساده‌تر نشان می‌دهد.

الهام گرفتن از طبیعت

بسیاری از طرح های مواد متخلخل سلسله مراتبی از ساختارهای طبیعی الهام گرفته شده اند. این مواد می‌توانند انتقال جرم را افزایش دهند، نفوذ انتخابی را فعال کنند، محیط‌های آبگریز-آبگریز قابل توجهی ایجاد کنند و خواص نوری مواد را تعدیل کنند.

استراتژی های سنتز سلسله مراتبیمواد متخلخل

1. روش قالب بندی سورفکتانت

چگونه می توانیم از سورفکتانت ها برای تشکیل مواد مزوپور سلسله مراتبی استفاده کنیم؟ استفاده از دو سورفکتانت با اندازه های مولکولی مختلف به عنوان الگو یک استراتژی ساده است. سنگدانه های مولکولی خود مونتاژ شده سورفکتانت یا مجموعه های فوق مولکولی به عنوان عوامل هدایت کننده ساختار برای ساخت ساختارهای متخلخل استفاده شده اند. با کنترل دقیق جداسازی فاز، ساختارهای منافذ سلسله مراتبی را می توان با استفاده از قالب بندی سورفکتانت دوگانه سنتز کرد.

در محلول های آبی سورفکتانت رقیق شده، کاهش تماس زنجیره هیدروکربنی با آب، انرژی آزاد سیستم را کاهش می دهد. آب دوستی گروه های انتهایی سورفاکتانت، نوع، اندازه و سایر ویژگی های سنگدانه های تشکیل شده توسط بسیاری از مولکول های سورفکتانت را تعیین می کند. CMC محلول‌های آبی سورفکتانت به ساختار شیمیایی سورفکتانت، دما و/یا حلال‌های کمکی مورد استفاده در سیستم مربوط می‌شود.

سیلیکاژل های مزوپور دووجهی با استفاده از محلول های حاوی کوپلیمرهای بلوک (KLE، SE، یا F127) و سورفکتانت های کوچکتر (IL، CTAB، یا P123) تهیه می شوند.

2. روش تکرار

رویکرد کلاسیک برای سنتز چیست؟مواد کربن متخلخل? روش کلی تکثیر قالب برای کربن متخلخل شامل تهیه یک کامپوزیت پیش‌ساز کربن/قالب معدنی، کربن‌سازی و حذف بعدی قالب غیرآلی است. این روش را می توان به دو دسته تقسیم کرد. دسته اول شامل تعبیه قالب های معدنی در پیش ساز کربن، مانند نانوذرات سیلیس است. پس از کربونیزاسیون و حذف قالب، مواد کربن متخلخل به دست آمده دارای منافذ جدا شده ای هستند که در ابتدا توسط گونه های قالب اشغال شده است. روش دوم، پیش ساز کربن را وارد منافذ قالب می کند. مواد کربن متخلخل تولید شده پس از کربنیزاسیون و حذف قالب دارای ساختارهای منافذ به هم پیوسته هستند.

3. روش سل-ژل

چگونه از روش سل-ژل برای سنتز مواد متخلخل سلسله مراتبی استفاده می شود؟ با تشکیل سوسپانسیون ذرات کلوئیدی (سل) و به دنبال آن تشکیل ژلی متشکل از ذرات سل شروع می شود. عملیات حرارتی ژل مواد و مورفولوژی مورد نظر مانند پودرها، الیاف، فیلم ها و مونولیت ها را به دست می دهد. پیش سازها معمولاً ترکیبات آلی فلزی هستند، مانند آلکوکسیدها، آلکوکسیدهای کلات یا نمک های فلزی مانند کلریدهای فلزی، سولفات ها و نیترات ها. هیدرولیز اولیه آلکوکسیدها یا پروتون زدایی مولکول های آب هماهنگ منجر به تشکیل گروه های هیدروکسیل فعال می شود که سپس تحت فرآیندهای تراکم قرار می گیرند تا الیگومرهای شاخه دار، پلیمرها، هسته هایی با اسکلت اکسید فلزی و گروه های هیدروکسیل و آلکوکسید باقیمانده فعال را تشکیل دهند.

4. روش پس از درمان

برای تهیه مواد متخلخل سلسله مراتبی با معرفی منافذ ثانویه از چه روش های پس از تصفیه استفاده می شود؟ این روش ها به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند. دسته اول شامل پیوند اضافی استمواد متخلخلبر روی مواد متخلخل اصلی دومی شامل حکاکی شیمیایی یا شستشوی مواد متخلخل اصلی برای به دست آوردن منافذ اضافی است. مورد سوم شامل مونتاژ یا چیدمان پیش سازهای مواد متخلخل (معمولاً نانوذرات) با استفاده از روش‌های شیمیایی یا فیزیکی (مانند رسوب چند لایه و چاپ جوهر افشان) برای ایجاد منافذ جدید است. مزایای قابل توجه پس از درمان عبارتند از: (1) توانایی طراحی عملکردهای مختلف برای برآوردن نیازهای مختلف. (2) توانایی به دست آوردن انواع ساختارها برای طراحی الگوها و مورفولوژی های سازمان یافته. (iii) توانایی ترکیب انواع مختلف منافذ برای گسترش کاربردهای مورد نظر.

5. روش قالب گیری امولسیونی

چگونه می توان با تنظیم فاز روغن یا فاز آب در یک امولسیون ساختارهای سلسله مراتبی با اندازه منافذ از نانومتر تا میکرومتر را تشکیل داد؟ پیش سازها در اطراف قطرات جامد می شوند و سپس حلال ها از طریق تبخیر حذف می شوند و در نتیجه مواد متخلخل ایجاد می شوند. در بیشتر موارد آب یکی از حلال هاست. امولسیون‌ها را می‌توان با پخش کردن قطرات آب در فاز روغن، که به عنوان امولسیون‌های آب در روغن (W/O) شناخته می‌شود، یا با پخش کردن قطرات روغن در آب، به نام «روغن در آب (O/W)» تشکیل شد. امولسیون ها."

برای تولید پلیمرهای متخلخل با سطوح آبدوست، امولسیون های W/O به طور گسترده ای برای تنظیم ساختار متخلخل آبگریز آنها استفاده می شود. برای افزایش آب دوستی، کوپلیمرهای قابل عملکرد (مانند وینیل بنزیل کلرید) به مونومرهای غیرقابل عملکرد (مانند استایرن) در امولسیون اضافه می شود. با تنظیم اندازه قطرات، سلسله مراتبیمواد متخلخلبا تخلخل های به هم پیوسته و قطر منافذ پیوسته می توان به دست آورد.

6. روش سنتز زئولیت

چگونه استراتژی های سنتز زئولیت، همراه با سایر استراتژی های سنتز، می توانند مواد متخلخل سلسله مراتبی تولید کنند؟ استراتژی های رشد بیش از حد مبتنی بر کنترل جداسازی فاز در طول سنتز زئولیت را می توان برای به دست آوردن زئولیت های دو میکرو متخلخل با ساختارهای هسته/پوسته سلسله مراتبی استفاده کرد که می توان آنها را به سه نوع تقسیم کرد. نوع اول شامل رشد بیش از حد از طریق هسته های ایزومورف (مانند ZSM-5/سیلیکالیت-1) است، جایی که کریستال های هسته به عنوان عوامل هدایت کننده ساختار عمل می کنند. نوع دوم رشد همپایه است، مانند انواع زئولیت LTA/FAU، که شامل واحدهای ساختمانی مشابه با ترتیبات فضایی متفاوت است. در این روش به دلیل رشد بیش از حد انتخابی لایه‌های زئولیت، پوشش دهی فقط بر روی سطوح کریستالی خاص قابل انجام است. نوع سوم رشد بیش از حد روی زئولیت های مختلف مانند انواع FAU/MAZ، BEA/MFI و MFI/AFI است. این زئولیت ها به طور کامل از ساختارهای مختلف زئولیت تشکیل شده اند، بنابراین دارای ویژگی های شیمیایی و ساختاری متمایز هستند.

7. روش قالب بندی کریستال کلوئیدی

چگونه روش قالب‌بندی کریستال کلوئیدی، در مقایسه با روش‌های دیگر، موادی را با ساختارهای منفذی منظم و دوره‌ای در محدوده اندازه بزرگتر تولید می‌کند؟ تخلخل ایجاد شده با استفاده از این روش، کپی مستقیم آرایه تناوبی ذرات کلوئیدی یکنواخت است که به عنوان قالب های سخت استفاده می شود، که ساخت سطوح اندازه سلسله مراتبی را در مقایسه با سایر روش های قالب بندی آسان تر می کند. استفاده از قالب های کریستالی کلوئیدی می تواند تخلخل بیشتری فراتر از حفره های کلوئیدی مونتاژ شده ایجاد کند.

مراحل اساسی قالب‌بندی کریستال کلوئیدی، از جمله تشکیل قالب‌های کریستال کلوئیدی، نفوذ پیش‌ساز و حذف قالب نشان داده شده‌اند. به طور کلی، هر دو ساختار قالب سطحی و حجمی را می توان تولید کرد. ساختارهای ماکرو متخلخل (3DOM) مرتب شده سه بعدی که از طریق قالب‌بندی سطحی تولید می‌شوند، دارای شبکه‌های «بالون» و ستون‌مانند هستند.

8. روش الگوسازی زیستی

چگونه سلسله مراتبی هستندمواد متخلخلاز طریق استراتژی‌های بیومیمتیک که مستقیماً مواد طبیعی یا فرآیندهای مونتاژ خود به خود را تکرار می‌کنند، تولید شده‌اند؟ هر دو روش را می توان به عنوان فرآیندهای الهام گرفته از زیستی تعریف کرد.

طیف گسترده ای از مواد طبیعی با ساختارهای متخلخل سلسله مراتبی به دلیل هزینه کم و سازگاری با محیط زیست می توانند به طور مستقیم به عنوان الگوهای زیستی استفاده شوند. در میان این مواد، رشته‌های باکتریایی، شاخه‌های دیاتوم‌ها، غشای پوسته تخم‌مرغ، بال‌های حشرات، دانه‌های گرده، برگ‌های گیاه، سلولز چوب، دانه‌های پروتئینی، ابریشم عنکبوت، دیاتوم‌ها و سایر موجودات گزارش شده‌اند.

9. روش قالب بندی پلیمری

چگونه می توان از ساختارهای پلیمری با درشت منافذ به عنوان الگو برای ساخت مواد متخلخل سلسله مراتبی استفاده کرد؟ پلیمرهای کلان متخلخل می توانند به عنوان داربست عمل کنند و واکنش های شیمیایی یا نفوذ نانوذرات در اطراف یا درون آنها رخ می دهد و مورفولوژی مواد را هدایت می کند. پس از حذف پلیمر، ماده ویژگی های ساختاری قالب اصلی را حفظ می کند.

10. روش سیال فوق بحرانی

چگونه می توان مواد با ساختارهای متخلخل کاملاً مشخص را با استفاده از آب و دی اکسید کربن، بدون نیاز به حلال های آلی فرار، سنتز کرد و در نتیجه چشم انداز کاربرد گسترده ای را ارائه داد؟ حذف فاز قطرات ساده است زیرا دی اکسید کربن پس از کاهش فشار به حالت گازی باز می گردد. سیالات فوق بحرانی که نه گاز هستند و نه مایع، می توانند به تدریج از چگالی کم به بالا فشرده شوند. بنابراین، سیالات فوق بحرانی به عنوان حلال های قابل تنظیم و محیط واکنش در فرآیندهای شیمیایی بسیار مهم هستند. فناوری سیال فوق بحرانی یک روش مهم برای سنتز و پردازش مواد متخلخل سلسله مراتبی است.

Semicorex کیفیت بالایی را ارائه می دهدمحلول های گرافیتبرای فرآیندهای نیمه هادی اگر سؤالی دارید یا نیاز به جزئیات بیشتری دارید، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

تلفن تماس 86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com