Hierarchische poröse Kohlenstoffmaterialien: Synthese und Einführung

Hierarchischporöse MaterialienSie verfügen über mehrstufige Porenstrukturen – Makroporen (Durchmesser > 50 nm), Mesoporen (2–50 nm) und Mikroporen (<2 nm) – und weisen hohe spezifische Oberflächen, hohe Porenvolumenverhältnisse, verbesserte Permeabilität und geringe Stoffübertragungseigenschaften auf und erhebliche Speicherkapazitäten. Diese Eigenschaften haben zu ihrer breiten Anwendung in verschiedenen Bereichen geführt, darunter Katalyse, Adsorption, Trennung, Energie und Biowissenschaften, und zeigen eine überlegene Leistung gegenüber einfacheren porösen Materialien.

Inspiration aus der Natur ziehen

Viele Designs hierarchischer poröser Materialien sind von natürlichen Strukturen inspiriert. Diese Materialien können den Stofftransport verbessern, eine selektive Permeation ermöglichen, signifikante hydrophil-hydrophobe Umgebungen schaffen und die optischen Eigenschaften von Materialien modulieren.

Strategien zur hierarchischen SynthesePoröse Materialien

1. Tensid-Templat-Methode

Wie können wir Tenside nutzen, um hierarchische mesoporöse Materialien zu bilden? Der Einsatz von zwei Tensiden unterschiedlicher Molekülgröße als Template ist eine einfache Strategie. Selbstorganisierte molekulare Aggregate oder supramolekulare Anordnungen von Tensiden wurden als strukturdirigierende Mittel zum Aufbau poröser Strukturen verwendet. Durch sorgfältige Steuerung der Phasentrennung können hierarchische Porenstrukturen mithilfe von Dual-Tensid-Templaten synthetisiert werden.

In verdünnten wässrigen Tensidlösungen verringert die Verringerung des Kontakts der Kohlenwasserstoffkette mit Wasser die freie Energie des Systems. Die Hydrophilie der Tensid-Endgruppen bestimmt die Art, Größe und andere Eigenschaften der Aggregate, die von vielen Tensidmolekülen gebildet werden. Die CMC wässriger Tensidlösungen hängt von der chemischen Struktur des Tensids, der Temperatur und/oder den im System verwendeten Colösungsmitteln ab.

Bimodale mesoporöse Kieselgele werden unter Verwendung von Lösungen hergestellt, die Blockcopolymere (KLE, SE oder F127) und kleinere Tenside (IL, CTAB oder P123) enthalten.

2. Replikationsmethode

Was ist der klassische Ansatz zur Synthese?poröse Kohlenstoffmaterialien? Das allgemeine Templat-Replikationsverfahren für porösen Kohlenstoff umfasst die Herstellung eines Verbundstoffs aus Kohlenstoffvorläufer und anorganischem Templat, die Carbonisierung und die anschließende Entfernung des anorganischen Templats. Diese Methode kann in zwei Kategorien unterteilt werden. Die erste Kategorie umfasst die Einbettung anorganischer Template in den Kohlenstoffvorläufer, beispielsweise Silica-Nanopartikel. Nach der Karbonisierung und der Entfernung des Templats weisen die resultierenden porösen Kohlenstoffmaterialien isolierte Poren auf, die zunächst von der Templatspezies besetzt waren. Bei der zweiten Methode wird der Kohlenstoffvorläufer in die Templatporen eingeführt. Die nach der Karbonisierung und Templatentfernung erzeugten porösen Kohlenstoffmaterialien besitzen miteinander verbundene Porenstrukturen.

3. Sol-Gel-Methode

Wie wird die Sol-Gel-Methode zur Synthese hierarchischer poröser Materialien eingesetzt? Es beginnt mit der Bildung einer kolloidalen Partikelsuspension (Sol), gefolgt von der Bildung eines Gels aus aggregierten Solpartikeln. Die thermische Behandlung des Gels ergibt das gewünschte Material und die gewünschte Morphologie, beispielsweise Pulver, Fasern, Filme und Monolithe. Vorläufer sind typischerweise metallorganische Verbindungen wie Alkoxide, chelatisierte Alkoxide oder Metallsalze wie Metallchloride, Sulfate und Nitrate. Die anfängliche Hydrolyse von Alkoxiden oder die Deprotonierung koordinierter Wassermoleküle führt zur Bildung reaktiver Hydroxylgruppen, die dann Kondensationsprozesse durchlaufen, um verzweigte Oligomere, Polymere, Kerne mit einem Metalloxidgerüst und reaktive restliche Hydroxyl- und Alkoxidgruppen zu bilden.

4. Nachbehandlungsmethode

Welche Nachbehandlungsmethoden werden verwendet, um hierarchisch poröse Materialien durch die Einführung von Sekundärporen herzustellen? Diese Methoden lassen sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen. Die erste Kategorie umfasst die zusätzliche Veredelungporöse Materialienauf das ursprüngliche poröse Material. Bei der zweiten Methode wird das ursprüngliche poröse Material chemisch geätzt oder ausgelaugt, um zusätzliche Poren zu erhalten. Bei der dritten Methode werden Vorläufer poröser Materialien (normalerweise Nanopartikel) mithilfe chemischer oder physikalischer Methoden (z. B. Mehrschichtabscheidung und Tintenstrahldrucken) zusammengesetzt oder angeordnet, um neue Poren zu erzeugen. Die wesentlichen Vorteile der Nachbehandlung sind: (i) die Möglichkeit, verschiedene Funktionalitäten so zu gestalten, dass sie unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden; (ii) die Fähigkeit, eine Vielzahl von Strukturen zu erhalten, um organisierte Muster und Morphologien zu entwerfen; (iii) die Fähigkeit, verschiedene Arten von Poren zu kombinieren, um die gewünschten Anwendungen zu erweitern.

5. Emulsionstemplatmethode

Wie können durch die Anpassung der Öl- oder Wasserphase in einer Emulsion hierarchische Strukturen mit Porengrößen im Nanometer- bis Mikrometerbereich entstehen? Vorläufer verfestigen sich um Tröpfchen herum, und dann werden Lösungsmittel durch Verdampfen entfernt, was zu porösen Materialien führt. In den meisten Fällen ist Wasser eines der Lösungsmittel. Emulsionen können durch Dispergieren von Wassertröpfchen in der Ölphase, bekannt als „Wasser-in-Öl (W/O)-Emulsionen“, oder durch Dispergieren von Öltröpfchen in Wasser, bekannt als „Öl-in-Wasser (O/W)“ gebildet werden. Emulsionen.“

Zur Herstellung poröser Polymere mit hydrophilen Oberflächen werden häufig W/O-Emulsionen verwendet, um deren hydrophobe poröse Strukturen anzupassen. Um die Hydrophilie zu erhöhen, werden funktionalisierbare Copolymere (z. B. Vinylbenzylchlorid) zu nicht funktionalisierbaren Monomeren (z. B. Styrol) in der Emulsion hinzugefügt. Durch die hierarchische Anpassung der Tröpfchengrößenporöse Materialienmit miteinander verbundenen Porositäten und kontinuierlichen Porendurchmessern erhalten werden.

6. Zeolith-Synthesemethode

Wie können Zeolith-Synthesestrategien in Kombination mit anderen Synthesestrategien hierarchische poröse Materialien erzeugen? Überwachstumsstrategien, die auf der Kontrolle der Phasentrennung während der Zeolithsynthese basieren, können verwendet werden, um bimikroporöse Zeolithe mit hierarchischen Kern/Schale-Strukturen zu erhalten, die in drei Typen unterteilt werden können. Beim ersten Typ handelt es sich um ein Überwachsen durch isomorphe Kerne (wie ZSM-5/Silicalit-1), wobei Kernkristalle als strukturdirigierende Mittel wirken. Bei der zweiten Art handelt es sich um epitaktisches Wachstum, wie z. B. Zeolith-LTA/FAU-Typen, bei dem die gleichen Baueinheiten mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung beteiligt sind. Aufgrund des selektiven Überwachsens von Zeolithschichten kann bei diesem Verfahren die Beschichtung nur auf bestimmten spezifischen Kristallflächen durchgeführt werden. Der dritte Typ ist das Überwachsen auf verschiedenen Zeolithen, wie z. B. FAU/MAZ-, BEA/MFI- und MFI/AFI-Typen. Diese Zeolithe bestehen vollständig aus unterschiedlichen Zeolithstrukturen und besitzen daher unterschiedliche chemische und strukturelle Eigenschaften.

7. Kolloidale Kristall-Templating-Methode

Wie stellt die kolloidale Kristalltemplatmethode im Vergleich zu anderen Methoden Materialien mit geordneten, periodischen Porenstrukturen über einen größeren Größenbereich her? Die mit dieser Methode erzeugte Porosität ist eine direkte Nachbildung der periodischen Anordnung einheitlicher kolloidaler Partikel, die als harte Matrizen verwendet werden, wodurch es im Vergleich zu anderen Matrizenmethoden einfacher ist, hierarchische Größenebenen zu konstruieren. Die Verwendung kolloidaler Kristalltemplate kann zu zusätzlicher Porosität über die zusammengesetzten kolloidalen Hohlräume hinaus führen.

Die grundlegenden Schritte der kolloidalen Kristalltemplatbildung werden veranschaulicht, einschließlich der Bildung kolloidaler Kristalltemplaten, der Vorläuferinfiltration und der Templatentfernung. Generell können sowohl Oberflächen- als auch Volumen-Templatestrukturen generiert werden. Dreidimensional geordnete makroporöse (3DOM) Strukturen, die durch Oberflächentemplatierung erzeugt werden, weisen miteinander verbundene „Ballon“- und strebenartige Netzwerke auf.

8. Bio-Templating-Methode

Wie sind hierarchischporöse Materialiendurch biomimetische Strategien hergestellt, die natürliche Materialien oder spontane Montageprozesse direkt nachbilden? Beide Methoden können als bioinspirierte Prozesse definiert werden.

Eine Vielzahl natürlicher Materialien mit hierarchischer poröser Struktur können aufgrund ihrer geringen Kosten und Umweltfreundlichkeit direkt als Bio-Template verwendet werden. Zu diesen Materialien zählen Bakterienfäden, Kieselalgenfrusteln, Eierschalenmembranen, Insektenflügel, Pollenkörner, Pflanzenblätter, Holzzellulose, Proteinaggregate, Spinnenseide, Kieselalgen und andere Organismen.

9. Polymer-Templat-Methode

Wie können Polymerstrukturen mit Makroporen als Vorlagen für die Herstellung hierarchischer poröser Materialien verwendet werden? Makroporöse Polymere können als Gerüste fungieren, wobei um sie herum oder in ihnen chemische Reaktionen oder die Infiltration von Nanopartikeln stattfinden, die die Morphologie des Materials bestimmen. Nachdem das Polymer entfernt wurde, behält das Material die strukturellen Eigenschaften der ursprünglichen Schablone.

10. Methode mit überkritischen Flüssigkeiten

Wie können Materialien mit wohldefinierten porösen Strukturen nur mit Wasser und Kohlendioxid synthetisiert werden, ohne dass flüchtige organische Lösungsmittel erforderlich sind, und so breite Anwendungsaussichten bieten? Die Entfernung der Tröpfchenphase ist unkompliziert, da Kohlendioxid bei Druckentlastung wieder in den gasförmigen Zustand übergeht. Überkritische Flüssigkeiten, die weder Gase noch Flüssigkeiten sind, können schrittweise von niedriger zu hoher Dichte komprimiert werden. Daher sind überkritische Flüssigkeiten als steuerbare Lösungsmittel und Reaktionsmedien in chemischen Prozessen von entscheidender Bedeutung. Die überkritische Fluidtechnologie ist eine wichtige Methode zur Synthese und Verarbeitung hierarchischer poröser Materialien.

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