Matériaux carbonés poreux hiérarchiques : synthèse et introduction

Hiérarchiquematériaux poreux, possédant des structures de pores à plusieurs niveaux - macropores (diamètre > 50 nm), mésopores (2-50 nm) et micropores (<2 nm) - présentent des surfaces spécifiques élevées, des rapports de volume de pores élevés, une perméabilité améliorée et de faibles caractéristiques de transfert de masse , et des capacités de stockage importantes. Ces attributs ont conduit à leur adoption généralisée dans divers domaines, notamment la catalyse, l'adsorption, la séparation, l'énergie et les sciences de la vie, démontrant des performances supérieures par rapport aux matériaux poreux plus simples.

S'inspirer de la nature

De nombreuses conceptions de matériaux poreux hiérarchiques s’inspirent de structures naturelles. Ces matériaux peuvent améliorer le transfert de masse, permettre une perméation sélective, créer des environnements hydrophiles-hydrophobes importants et moduler les propriétés optiques des matériaux.

Stratégies de synthèse hiérarchiqueMatériaux poreux

1. Méthode de création de modèles de tensioactifs

Comment pouvons-nous utiliser des tensioactifs pour former des matériaux mésoporeux hiérarchiques ? Utiliser deux tensioactifs de tailles moléculaires différentes comme modèles est une stratégie simple. Des agrégats moléculaires auto-assemblés de tensioactifs ou des assemblages supramoléculaires ont été utilisés comme agents directeurs de structure pour la construction de structures poreuses. En contrôlant soigneusement la séparation des phases, des structures hiérarchiques de pores peuvent être synthétisées à l’aide d’un modèle à double tensioactif.

Dans les solutions aqueuses diluées de tensioactifs, la réduction du contact de la chaîne d'hydrocarbures avec l'eau diminue l'énergie libre du système. L'hydrophilie des groupes terminaux du tensioactif détermine le type, la taille et d'autres caractéristiques des agrégats formés par de nombreuses molécules du tensioactif. La CMC des solutions aqueuses de tensioactifs est liée à la structure chimique du tensioactif, à la température et/ou aux cosolvants utilisés dans le système.

Les gels de silice mésoporeux bimodaux sont préparés à l'aide de solutions contenant des copolymères séquencés (KLE, SE ou F127) et des tensioactifs plus petits (IL, CTAB ou P123).

2. Méthode de réplication

Quelle est l’approche classique de la synthèsematériaux carbonés poreux? La procédure générale de réplication de modèle pour le carbone poreux implique la préparation d'un composite précurseur de carbone/modèle inorganique, la carbonisation et l'élimination ultérieure du modèle inorganique. Cette méthode peut être divisée en deux catégories. La première catégorie consiste à intégrer des modèles inorganiques dans le précurseur de carbone, tels que des nanoparticules de silice. Après carbonisation et élimination du modèle, les matériaux carbonés poreux résultants présentent des pores isolés initialement occupés par l'espèce modèle. La deuxième méthode introduit le précurseur de carbone dans les pores du gabarit. Les matériaux carbonés poreux générés après carbonisation et retrait du gabarit possèdent des structures poreuses interconnectées.

3. Méthode Sol-Gel

Comment la méthode sol-gel est-elle utilisée pour synthétiser des matériaux poreux hiérarchisés ? Cela commence par la formation d’une suspension de particules colloïdales (sol), suivie de la formation d’un gel composé de particules de sol agrégées. Le traitement thermique du gel donne le matériau et la morphologie souhaités, tels que des poudres, des fibres, des films et des monolithes. Les précurseurs sont généralement des composés organiques métalliques, tels que des alcoolates, des alcoolates chélatés ou des sels métalliques comme les chlorures, sulfates et nitrates métalliques. L'hydrolyse initiale des alcoxydes ou la déprotonation des molécules d'eau coordonnées conduit à la formation de groupes hydroxyles réactifs, qui subissent ensuite des processus de condensation pour former des oligomères ramifiés, des polymères, des noyaux avec un squelette d'oxyde métallique et des groupes hydroxyles et alcoxydes résiduels réactifs.

4. Méthode de post-traitement

Quelles méthodes de post-traitement sont utilisées pour préparer des matériaux poreux hiérarchiques en introduisant des pores secondaires ? Ces méthodes se répartissent généralement en trois catégories. La première catégorie consiste à greffer desmatériaux poreuxsur le matériau poreux d'origine. La seconde implique une gravure chimique ou une lixiviation du matériau poreux d'origine pour obtenir des pores supplémentaires. La troisième consiste à assembler ou à disposer des précurseurs de matériaux poreux (généralement des nanoparticules) à l'aide de méthodes chimiques ou physiques (telles que le dépôt multicouche et l'impression à jet d'encre) pour créer de nouveaux pores. Les avantages significatifs du post-traitement sont : (i) la capacité de concevoir diverses fonctionnalités pour répondre à différentes exigences ; (ii) la capacité d'obtenir une variété de structures pour concevoir des modèles et des morphologies organisés ; (iii) la possibilité de combiner différents types de pores pour étendre les applications souhaitées.

5. Méthode de création de modèles d'émulsion

Comment l’ajustement de la phase huileuse ou de la phase aqueuse dans une émulsion peut-il former des structures hiérarchiques avec des tailles de pores allant du nanomètre au micromètre ? Les précurseurs se solidifient autour des gouttelettes, puis les solvants sont éliminés par évaporation, ce qui donne lieu à des matériaux poreux. Dans la plupart des cas, l'eau est l'un des solvants. Les émulsions peuvent être formées en dispersant des gouttelettes d'eau dans la phase huileuse, connues sous le nom d'émulsions « eau dans l'huile (E/H) », ou en dispersant des gouttelettes d'huile dans l'eau, appelées « émulsions huile dans l'eau (H/E). émulsions."

Pour fabriquer des polymères poreux aux surfaces hydrophiles, les émulsions E/H sont largement utilisées pour ajuster leurs structures poreuses hydrophobes. Pour améliorer l'hydrophilie, des copolymères fonctionnalisables (tels que le chlorure de vinyle benzyle) sont ajoutés à des monomères non fonctionnalisables (tels que le styrène) dans l'émulsion. En ajustant la taille des gouttelettes, hiérarchiquementmatériaux poreuxavec des porosités interconnectées et des diamètres de pores continus peuvent être obtenus.

6. Méthode de synthèse de zéolite

Comment les stratégies de synthèse des zéolites, combinées à d’autres stratégies de synthèse, peuvent-elles générer des matériaux poreux hiérarchisés ? Des stratégies de prolifération basées sur le contrôle de la séparation des phases lors de la synthèse des zéolites peuvent être utilisées pour obtenir des zéolites bimicroporeuses avec des structures noyau/coquille hiérarchiques, qui peuvent être divisées en trois types. Le premier type implique une prolifération à travers des noyaux isomorphes (tels que ZSM-5/silicalite-1), où les cristaux du noyau agissent comme des agents directeurs de la structure. Le deuxième type est la croissance épitaxiale, telle que les types de zéolite LTA/FAU, impliquant les mêmes unités de construction avec des dispositions spatiales différentes. Dans ce procédé, en raison de la prolifération sélective des couches de zéolite, le revêtement ne peut être effectué que sur certaines faces cristallines spécifiques. Le troisième type est une prolifération sur différentes zéolites, telles que les types FAU/MAZ, BEA/MFI et MFI/AFI. Ces zéolites sont entièrement composées de structures zéolithiques différentes, possédant ainsi des caractéristiques chimiques et structurelles distinctes.

7. Méthode de création de modèles de cristaux colloïdaux

Comment la méthode de création de modèles de cristaux colloïdaux, par rapport à d’autres méthodes, permet-elle de fabriquer des matériaux avec des structures de pores ordonnées et périodiques sur une plage de tailles plus large ? La porosité générée à l'aide de cette méthode est une réplique directe du réseau périodique de particules colloïdales uniformes utilisées comme modèles durs, ce qui facilite la construction de niveaux de taille hiérarchiques par rapport à d'autres méthodes de création de modèles. L’utilisation de modèles de cristaux colloïdaux peut produire une porosité supplémentaire au-delà des vides colloïdaux assemblés.

Les étapes de base de la création de modèles de cristaux colloïdaux sont illustrées, notamment la formation de modèles de cristaux colloïdaux, l'infiltration des précurseurs et l'élimination des modèles. Généralement, des structures modèles de surface et de volume peuvent être générées. Les structures macroporeuses ordonnées tridimensionnelles (3DOM) générées via des modèles de surface présentent des réseaux de type « ballon » et entretoise interconnectés.

8. Méthode de bio-modèle

Comment sont hiérarchiquesmatériaux poreuxfabriqués grâce à des stratégies biomimétiques qui reproduisent directement des matériaux naturels ou des processus d'assemblage spontané ? Les deux méthodes peuvent être définies comme des processus bio-inspirés.

Une grande variété de matériaux naturels dotés de structures poreuses hiérarchiques peuvent être utilisés directement comme bio-modèles en raison de leur faible coût et de leur respect de l’environnement. Parmi ces matériaux, des fils bactériens, des frustules de diatomées, des membranes de coquilles d'œufs, des ailes d'insectes, des grains de pollen, des feuilles de plantes, de la cellulose de bois, des agrégats de protéines, de la soie d'araignée, des diatomées et d'autres organismes ont été signalés.

9. Méthode de création de modèles polymères

Comment les structures polymères dotées de macropores peuvent-elles être utilisées comme modèles pour la fabrication de matériaux poreux hiérarchiques ? Les polymères macroporeux peuvent agir comme des échafaudages, avec des réactions chimiques ou une infiltration de nanoparticules se produisant autour ou à l'intérieur d'eux, guidant la morphologie du matériau. Une fois le polymère retiré, le matériau conserve les caractéristiques structurelles du modèle d'origine.

10. Méthode fluide supercritique

Comment synthétiser des matériaux aux structures poreuses bien définies en utilisant uniquement de l’eau et du dioxyde de carbone, sans recourir à des solvants organiques volatils, offrant ainsi de larges perspectives d’application ? L'élimination de la phase de gouttelettes est simple car le dioxyde de carbone revient à l'état gazeux lors de la dépressurisation. Les fluides supercritiques, qui ne sont ni des gaz ni des liquides, peuvent être progressivement comprimés de faibles à hautes densités. Par conséquent, les fluides supercritiques sont cruciaux en tant que solvants réglables et milieux de réaction dans les processus chimiques. La technologie des fluides supercritiques est une méthode importante pour synthétiser et traiter des matériaux poreux hiérarchiques.

Semicorex offre des produits de haute qualitésolutions de graphitepour les procédés semi-conducteurs. Si vous avez des questions ou avez besoin de détails supplémentaires, n'hésitez pas à nous contacter.

Téléphone de contact # +86-13567891907

Courriel : sales@semicorex.com