วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้น: การสังเคราะห์และบทนำ

ลำดับชั้นวัสดุที่มีรูพรุนมีโครงสร้างรูพรุนหลายระดับ—มาโครพอร์ (เส้นผ่านศูนย์กลาง > 50 นาโนเมตร), มีโซปอร์ (2-50 นาโนเมตร) และไมโครพอร์ (<2 นาโนเมตร)—แสดงพื้นที่ผิวจำเพาะสูง, อัตราส่วนปริมาตรรูพรุนสูง, ความสามารถในการซึมผ่านเพิ่มขึ้น, ลักษณะการถ่ายโอนมวลต่ำ และความจุในการจัดเก็บข้อมูลจำนวนมาก คุณลักษณะเหล่านี้นำไปสู่การนำไปใช้อย่างกว้างขวางในสาขาต่างๆ รวมถึงการเร่งปฏิกิริยา การดูดซับ การแยก พลังงาน และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าวัสดุที่มีรูพรุนที่เรียบง่ายกว่า

วาดแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

การออกแบบวัสดุที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้นจำนวนมากได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างทางธรรมชาติ วัสดุเหล่านี้สามารถเพิ่มการถ่ายโอนมวล ช่วยให้สามารถเลือกการซึมผ่านได้ สร้างสภาพแวดล้อมที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำอย่างมีนัยสำคัญ และปรับคุณสมบัติทางแสงของวัสดุ

กลยุทธ์ในการสังเคราะห์ลำดับชั้นวัสดุที่มีรูพรุน

1. วิธีการเทมเพลทของสารลดแรงตึงผิว

เราจะใช้สารลดแรงตึงผิวเพื่อสร้างวัสดุ mesoporous แบบลำดับชั้นได้อย่างไร การใช้สารลดแรงตึงผิวสองตัวที่มีขนาดโมเลกุลต่างกันเป็นเทมเพลตถือเป็นกลยุทธ์ที่ไม่ซับซ้อน สารลดแรงตึงผิวมวลรวมโมเลกุลที่ประกอบเองหรือส่วนประกอบซูปราโมเลกุลถูกนำมาใช้เป็นสารควบคุมโครงสร้างสำหรับการสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน ด้วยการควบคุมการแยกเฟสอย่างระมัดระวัง โครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้นสามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้เทมเพลตลดแรงตึงผิวแบบคู่

ในสารละลายน้ำของสารลดแรงตึงผิวแบบเจือจาง การลดลงของการสัมผัสกับน้ำของโซ่ไฮโดรคาร์บอนจะลดพลังงานอิสระของระบบ ความสามารถในการชอบน้ำของกลุ่มปลายสุดของสารลดแรงตึงผิวเป็นตัวกำหนดชนิด ขนาด และคุณลักษณะอื่นๆ ของสารรวมตัวที่เกิดจากโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจำนวนมาก CMC ของสารละลายน้ำลดแรงตึงผิวเกี่ยวข้องกับโครงสร้างทางเคมีของสารลดแรงตึงผิว อุณหภูมิ และ/หรือตัวทำละลายร่วมที่ใช้ในระบบ

ซิลิกาเจลมีโซโพรัสแบบไบโมดัลเตรียมโดยใช้สารละลายที่มีบล็อคโคโพลีเมอร์ (KLE, SE หรือ F127) และสารลดแรงตึงผิวที่มีขนาดเล็กกว่า (IL, CTAB หรือ P123)

2. วิธีการจำลองแบบ

วิธีการสังเคราะห์แบบคลาสสิกคืออะไรวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน- ขั้นตอนการจำลองเทมเพลตทั่วไปสำหรับคาร์บอนที่มีรูพรุนเกี่ยวข้องกับการเตรียมคอมโพสิตเทมเพลตสารตั้งต้นคาร์บอน/เทมเพลตอนินทรีย์ การทำให้เป็นคาร์บอน และการกำจัดเทมเพลตอนินทรีย์ในภายหลัง วิธีนี้สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท หมวดหมู่แรกเกี่ยวข้องกับการฝังเทมเพลตอนินทรีย์ภายในสารตั้งต้นของคาร์บอน เช่น อนุภาคนาโนซิลิกา หลังจากคาร์บอไนเซชันและการลบเทมเพลตออก วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนที่ได้จะมีรูพรุนที่แยกออกจากกันซึ่งเริ่มแรกครอบครองโดยสายพันธุ์เทมเพลต วิธีที่สองแนะนำสารตั้งต้นของคาร์บอนเข้าไปในรูเทมเพลต วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนที่สร้างขึ้นหลังจากการทำให้เป็นคาร์บอนและการกำจัดเทมเพลตมีโครงสร้างรูพรุนที่เชื่อมต่อถึงกัน

3. วิธีโซล-เจล

วิธีโซล-เจลใช้ในการสังเคราะห์วัสดุที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้นอย่างไร เริ่มต้นด้วยการก่อตัวของสารแขวนลอยอนุภาคคอลลอยด์ (โซล) ตามด้วยการก่อตัวของเจลที่ประกอบด้วยอนุภาคโซลที่รวมตัวกัน การบำบัดด้วยความร้อนของเจลทำให้ได้วัสดุและสัณฐานวิทยาตามที่ต้องการ เช่น ผง เส้นใย ฟิล์ม และหินใหญ่ก้อนเดียว โดยทั่วไปสารตั้งต้นคือสารประกอบอินทรีย์ของโลหะ เช่น อัลคอกไซด์ คีเลตอัลคอกไซด์ หรือเกลือของโลหะ เช่น คลอไรด์ของโลหะ ซัลเฟต และไนเตรต การไฮโดรไลซิสเบื้องต้นของอัลคอกไซด์หรือการสลายตัวของโมเลกุลของน้ำที่ประสานกันทำให้เกิดการก่อตัวของหมู่ไฮดรอกซิลที่เกิดปฏิกิริยา ซึ่งจากนั้นจะผ่านกระบวนการควบแน่นเพื่อสร้างโอลิโกเมอร์ที่แตกกิ่งก้าน โพลีเมอร์ นิวเคลียสที่มีโครงกระดูกของโลหะออกไซด์ และหมู่ไฮดรอกซิลและอัลคอกไซด์ที่ตกค้างที่เกิดปฏิกิริยา

4. วิธีการหลังการรักษา

วิธีหลังการบำบัดใดที่ใช้ในการเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้นโดยการแนะนำรูพรุนรอง โดยทั่วไปวิธีการเหล่านี้แบ่งออกเป็นสามประเภท หมวดแรกเกี่ยวข้องกับการรับสินบนเพิ่มเติมวัสดุที่มีรูพรุนลงบนวัสดุที่มีรูพรุนเดิม ประการที่สองเกี่ยวข้องกับการกัดด้วยสารเคมีหรือการชะล้างวัสดุที่มีรูพรุนดั้งเดิมเพื่อให้ได้รูพรุนเพิ่มเติม ประการที่สามเกี่ยวข้องกับการประกอบหรือจัดเรียงสารตั้งต้นของวัสดุที่มีรูพรุน (โดยปกติจะเป็นอนุภาคนาโน) โดยใช้วิธีการทางเคมีหรือกายภาพ (เช่น การสะสมหลายชั้นและการพิมพ์อิงค์เจ็ท) เพื่อสร้างรูพรุนใหม่ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการรักษาหลังการรักษาคือ: (i) ความสามารถในการออกแบบฟังก์ชันการทำงานต่างๆ เพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกัน; (ii) ความสามารถในการได้รับโครงสร้างที่หลากหลายเพื่อออกแบบรูปแบบและสัณฐานวิทยาที่เป็นระเบียบ (iii) ความสามารถในการรวมรูขุมขนประเภทต่างๆ เพื่อขยายการใช้งานที่ต้องการ

5. วิธีการเทมเพลตอิมัลชัน

การปรับเฟสของน้ำมันหรือเฟสของน้ำในอิมัลชันจะสร้างโครงสร้างแบบลำดับชั้นที่มีขนาดรูพรุนตั้งแต่นาโนเมตรไปจนถึงไมโครเมตรได้อย่างไร สารตั้งต้นจะแข็งตัวรอบๆ หยด จากนั้นตัวทำละลายจะถูกกำจัดออกโดยการระเหย ส่งผลให้วัสดุมีรูพรุน ในกรณีส่วนใหญ่ น้ำเป็นหนึ่งในตัวทำละลาย อิมัลชันสามารถเกิดขึ้นได้โดยการกระจายหยดน้ำในสถานะน้ำมัน หรือที่เรียกว่า "อิมัลชันน้ำในน้ำมัน (W/O)" หรือโดยการกระจายหยดน้ำมันในน้ำ ที่เรียกว่า "น้ำมันในน้ำ (O/W) อิมัลชัน”

ในการผลิตโพลีเมอร์ที่มีรูพรุนที่มีพื้นผิวที่ชอบน้ำ อิมัลชัน W/O ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการปรับโครงสร้างรูพรุนที่ไม่ชอบน้ำ เพื่อเพิ่มความสามารถในการชอบน้ำ โคโพลีเมอร์ที่สามารถทำหน้าที่ได้ (เช่น ไวนิล เบนซิล คลอไรด์) จะถูกเติมลงในโมโนเมอร์ที่ไม่สามารถทำหน้าที่ได้ (เช่น สไตรีน) ในอิมัลชัน โดยการปรับขนาดหยดแบบลำดับชั้นวัสดุที่มีรูพรุนด้วยความพรุนที่เชื่อมต่อถึงกันและเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนต่อเนื่องสามารถหาได้

6. วิธีการสังเคราะห์ซีโอไลต์

กลยุทธ์การสังเคราะห์ซีโอไลต์เมื่อรวมกับกลยุทธ์การสังเคราะห์อื่นๆ จะสร้างวัสดุที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้นได้อย่างไร กลยุทธ์การเจริญเติบโตมากเกินไปซึ่งขึ้นอยู่กับการควบคุมการแยกเฟสในระหว่างการสังเคราะห์ซีโอไลต์สามารถนำมาใช้เพื่อให้ได้ซีโอไลต์ที่มีรูพรุนแบบสองจุลภาคที่มีโครงสร้างแกน/เปลือกแบบลำดับชั้น ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท ประเภทแรกเกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตมากเกินไปผ่านแกนไอโซมอร์ฟัส (เช่น ZSM-5/ซิลิกาไลต์-1) โดยที่แกนคริสตัลทำหน้าที่เป็นตัวกำกับโครงสร้าง ประเภทที่สองคือการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว เช่น ประเภทซีโอไลต์ LTA/FAU ที่เกี่ยวข้องกับยูนิตอาคารเดียวกันซึ่งมีการจัดเรียงเชิงพื้นที่ต่างกัน ในวิธีนี้ เนื่องจากชั้นซีโอไลต์มีการเจริญเติบโตมากเกินไป การเคลือบจึงสามารถทำได้บนผิวหน้าคริสตัลบางหน้าเท่านั้น ประเภทที่สามคือการเจริญเติบโตมากเกินไปในซีโอไลต์ที่แตกต่างกัน เช่น ประเภท FAU/MAZ, BEA/MFI และ MFI/AFI ซีโอไลต์เหล่านี้ประกอบด้วยโครงสร้างซีโอไลต์ที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ดังนั้นจึงมีลักษณะทางเคมีและโครงสร้างที่แตกต่างกัน

7. วิธีการสร้างเทมเพลตคริสตัลคอลลอยด์

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการอื่น วิธีการเทมเพลทคริสตัลคอลลอยด์จะผลิตวัสดุที่มีโครงสร้างรูพรุนเป็นระยะๆ ตามคำสั่งในช่วงขนาดที่ใหญ่ขึ้นได้อย่างไร ความพรุนที่สร้างขึ้นโดยใช้วิธีนี้เป็นการจำลองโดยตรงของอาร์เรย์เป็นระยะของอนุภาคคอลลอยด์ที่สม่ำเสมอซึ่งใช้เป็นเทมเพลตแบบแข็ง ทำให้ง่ายต่อการสร้างระดับขนาดแบบลำดับชั้นเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเทมเพลตอื่นๆ การใช้เทมเพลตคริสตัลคอลลอยด์สามารถทำให้เกิดความพรุนเพิ่มเติมนอกเหนือจากช่องว่างคอลลอยด์ที่ประกอบกัน

มีภาพประกอบขั้นตอนพื้นฐานของการสร้างเทมเพลตคริสตัลคอลลอยด์ รวมถึงการก่อตัวของเทมเพลตคริสตัลคอลลอยด์ การแทรกซึมของสารตั้งต้น และการลบเทมเพลต โดยทั่วไป สามารถสร้างทั้งโครงสร้างเทมเพลตพื้นผิวและปริมาตรได้ โครงสร้าง Macroporous (3DOM) แบบสามมิติที่สร้างขึ้นผ่านการสร้างเทมเพลตพื้นผิวมี "บอลลูน" และเครือข่ายคล้ายสตรัทที่เชื่อมต่อถึงกัน

8. วิธีการสร้างแม่แบบทางชีวภาพ

มีลำดับชั้นอย่างไรวัสดุที่มีรูพรุนผลิตโดยใช้กลยุทธ์การเลียนแบบทางชีวภาพที่จำลองวัสดุธรรมชาติหรือกระบวนการประกอบเองโดยตรง ทั้งสองวิธีสามารถกำหนดได้ว่าเป็นกระบวนการที่ได้แรงบันดาลใจจากชีวภาพ

วัสดุธรรมชาติที่หลากหลายที่มีโครงสร้างรูพรุนตามลำดับชั้นสามารถใช้เป็นแม่แบบชีวภาพได้โดยตรง เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ มีรายงานว่ามีเส้นใยจากแบคทีเรีย ไดอะตอมฟรัสทูล เยื่อหุ้มเปลือกไข่ ปีกแมลง ละอองเกสร ใบพืช เซลลูโลสไม้ มวลรวมของโปรตีน ใยแมงมุม ไดอะตอม และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ

9. วิธีการสร้างเทมเพลตโพลีเมอร์

โครงสร้างโพลีเมอร์ที่มีมาโครพอร์สามารถใช้เป็นแม่แบบสำหรับการผลิตวัสดุที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้นได้อย่างไร โพลีเมอร์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่สามารถทำหน้าที่เป็นโครงรองรับ โดยมีปฏิกิริยาเคมีหรือการแทรกซึมของอนุภาคนาโนที่เกิดขึ้นรอบ ๆ หรือภายในพวกมัน ซึ่งเป็นแนวทางทางสัณฐานวิทยาของวัสดุ หลังจากเอาโพลีเมอร์ออกแล้ว วัสดุจะยังคงลักษณะโครงสร้างของแม่แบบเดิมไว้

10. วิธีของไหลวิกฤตยิ่งยวด

วัสดุที่มีโครงสร้างเป็นรูพรุนชัดเจนสามารถสังเคราะห์โดยใช้เพียงน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ โดยไม่ต้องใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ระเหยง่าย จึงมีโอกาสนำไปใช้งานในวงกว้างได้อย่างไร การกำจัดระยะหยดทำได้ตรงไปตรงมา เนื่องจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะกลับคืนสู่สถานะก๊าซเมื่อถูกกดดัน ของเหลวที่วิกฤตยิ่งยวดซึ่งไม่ใช่ก๊าซหรือของเหลว สามารถค่อยๆ บีบอัดจากความหนาแน่นต่ำไปสูงได้ ดังนั้นของไหลวิกฤตยิ่งยวดจึงมีความสำคัญในฐานะตัวทำละลายที่ปรับค่าได้และตัวกลางปฏิกิริยาในกระบวนการทางเคมี เทคโนโลยีของไหลวิกฤตยิ่งยวดเป็นวิธีการสำคัญในการสังเคราะห์และประมวลผลวัสดุที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้น

Semicorex นำเสนอคุณภาพสูงโซลูชั่นกราไฟท์สำหรับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

โทรศัพท์ติดต่อ # +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com