Materiais Hierárquicos de Carbono Poroso: Síntese e Introdução

Hierárquicomateriais porosos, possuindo estruturas de poros multiníveis - macroporos (diâmetro > 50 nm), mesoporos (2-50 nm) e microporos (<2 nm) - exibem altas áreas de superfície específicas, altas taxas de volume de poros, permeabilidade aprimorada, características de baixa transferência de massa e capacidades de armazenamento substanciais. Esses atributos levaram à sua ampla adoção em vários campos, incluindo catálise, adsorção, separação, energia e ciências biológicas, apresentando desempenho superior em relação a materiais porosos mais simples.

Inspirando-se na Natureza

Muitos designs de materiais porosos hierárquicos são inspirados em estruturas naturais. Esses materiais podem melhorar a transferência de massa, permitir a permeação seletiva, criar ambientes hidrofílicos-hidrofóbicos significativos e modular as propriedades ópticas dos materiais.

Estratégias para sintetizar hierárquicaMateriais Porosos

1. Método de modelagem de surfactante

Como podemos utilizar surfactantes para formar materiais mesoporosos hierárquicos? Empregar dois surfactantes de tamanhos moleculares diferentes como modelos é uma estratégia simples. Agregados moleculares automontados de surfactantes ou conjuntos supramoleculares têm sido usados ​​como agentes direcionadores de estrutura para a construção de estruturas porosas. Ao controlar cuidadosamente a separação de fases, estruturas hierárquicas de poros podem ser sintetizadas usando modelos de surfactantes duplos.

Em soluções aquosas diluídas de surfactantes, a redução do contato da cadeia de hidrocarbonetos com a água diminui a energia livre do sistema. A hidrofilicidade dos grupos terminais do surfactante determina o tipo, tamanho e outras características dos agregados formados por muitas moléculas de surfactante. A CMC de soluções aquosas de surfactante está relacionada à estrutura química do surfactante, temperatura e/ou co-solventes utilizados no sistema.

Géis de sílica mesoporosos bimodais são preparados usando soluções contendo copolímeros em bloco (KLE, SE ou F127) e surfactantes menores (IL, CTAB ou P123).

2. Método de replicação

Qual é a abordagem clássica para sintetizarmateriais de carbono porosos? O procedimento geral de replicação do modelo para carbono poroso envolve a preparação de um compósito precursor de carbono/modelo inorgânico, carbonização e subsequente remoção do modelo inorgânico. Este método pode ser dividido em duas categorias. A primeira categoria envolve a incorporação de modelos inorgânicos no precursor de carbono, como nanopartículas de sílica. Após a carbonização e remoção do modelo, os materiais de carbono porosos resultantes possuem poros isolados inicialmente ocupados pelas espécies modelo. O segundo método introduz o precursor de carbono nos poros do modelo. Os materiais de carbono porosos gerados após a carbonização e remoção do molde possuem estruturas de poros interligados.

3. Método Sol-Gel

Como o método sol-gel é usado para sintetizar materiais porosos hierárquicos? Inicia-se com a formação de uma suspensão de partículas coloidal (sol), seguida pela formação de um gel composto por partículas de sol agregadas. O tratamento térmico do gel produz o material e a morfologia desejados, como pós, fibras, filmes e monólitos. Os precursores são tipicamente compostos orgânicos metálicos, como alcóxidos, alcóxidos quelados ou sais metálicos como cloretos, sulfatos e nitratos metálicos. A hidrólise inicial de alcóxidos ou a desprotonação de moléculas de água coordenadas leva à formação de grupos hidroxila reativos, que então passam por processos de condensação para formar oligômeros ramificados, polímeros, núcleos com esqueleto de óxido metálico e grupos hidroxila e alcóxido residuais reativos.

4. Método Pós-Tratamento

Quais métodos de pós-tratamento são usados ​​para preparar materiais porosos hierárquicos através da introdução de poros secundários? Esses métodos geralmente se enquadram em três categorias. A primeira categoria envolve enxerto adicionalmateriais porosossobre o material poroso original. A segunda envolve ataque químico ou lixiviação do material poroso original para obter poros adicionais. A terceira envolve a montagem ou organização de precursores de materiais porosos (geralmente nanopartículas) usando métodos químicos ou físicos (como deposição multicamadas e impressão a jato de tinta) para criar novos poros. As vantagens significativas do pós-tratamento são: (i) a capacidade de projetar diversas funcionalidades para atender diferentes requisitos; (ii) a capacidade de obter uma variedade de estruturas para projetar padrões e morfologias organizadas; (iii) a capacidade de combinar vários tipos de poros para expandir as aplicações desejadas.

5. Método de modelagem de emulsão

Como o ajuste da fase oleosa ou da fase aquosa em uma emulsão pode formar estruturas hierárquicas com tamanhos de poros variando de nanômetros a micrômetros? Os precursores solidificam-se em torno das gotículas e, em seguida, os solventes são removidos por evaporação, resultando em materiais porosos. Na maioria dos casos, a água é um dos solventes. As emulsões podem ser formadas pela dispersão de gotículas de água na fase oleosa, conhecidas como "emulsões água em óleo (A/O)", ou pela dispersão de gotículas de óleo em água, conhecidas como "emulsões óleo em água (O/A). emulsões."

Para fabricar polímeros porosos com superfícies hidrofílicas, emulsões W/O são amplamente utilizadas para ajustar suas estruturas porosas hidrofóbicas. Para aumentar a hidrofilicidade, copolímeros funcionalizáveis ​​(tais como cloreto de vinilbenzila) são adicionados a monômeros não funcionalizáveis ​​(tais como estireno) na emulsão. Ao ajustar os tamanhos das gotas, hierárquicasmateriais porososcom porosidades interligadas e diâmetros de poros contínuos podem ser obtidos.

6. Método de Síntese de Zeólita

Como as estratégias de síntese de zeólitas, combinadas com outras estratégias de síntese, podem gerar materiais porosos hierárquicos? Estratégias de crescimento excessivo baseadas no controle de separação de fases durante a síntese de zeólitas podem ser usadas para obter zeólitas bi-microporosas com estruturas hierárquicas de núcleo/casca, que podem ser divididas em três tipos. O primeiro tipo envolve crescimento excessivo através de núcleos isomorfos (como ZSM-5/silicalita-1), onde os cristais centrais atuam como agentes direcionadores de estrutura. O segundo tipo é o crescimento epitaxial, como os tipos zeólitos LTA/FAU, envolvendo as mesmas unidades construtivas com diferentes arranjos espaciais. Neste método, devido ao crescimento excessivo seletivo das camadas de zeólita, o revestimento só pode ser realizado em certas faces cristalinas específicas. O terceiro tipo é o crescimento excessivo de diferentes zeólitas, como os tipos FAU/MAZ, BEA/MFI e MFI/AFI. Estas zeólitas são compostas inteiramente por diferentes estruturas de zeólitas, possuindo assim características químicas e estruturais distintas.

7. Método de modelagem de cristal coloidal

Como o método de modelagem de cristal coloidal, em comparação com outros métodos, fabrica materiais com estruturas de poros periódicos e ordenados em uma faixa de tamanho maior? A porosidade gerada usando este método é uma réplica direta da matriz periódica de partículas coloidais uniformes usadas como modelos rígidos, facilitando a construção de níveis de tamanho hierárquicos em comparação com outros métodos de modelagem. O uso de modelos de cristal coloidal pode produzir porosidade adicional além dos vazios coloidais montados.

As etapas básicas da modelagem de cristais coloidais são ilustradas, incluindo a formação de modelos de cristais coloidais, infiltração de precursores e remoção de modelos. Geralmente, podem ser geradas estruturas de modelo de superfície e de volume. Estruturas macroporosas ordenadas tridimensionais (3DOM) geradas por meio de modelos de superfície apresentam "balões" interconectados e redes semelhantes a suportes.

8. Método de biomodelação

Como são hierárquicosmateriais porososfabricados através de estratégias biomiméticas que replicam diretamente materiais naturais ou processos de montagem espontânea? Ambos os métodos podem ser definidos como processos bioinspirados.

Uma grande variedade de materiais naturais com estruturas porosas hierárquicas podem ser utilizadas diretamente como biomodelos devido ao seu baixo custo e respeito ao meio ambiente. Entre esses materiais, foram relatados fios bacterianos, frústulas de diatomáceas, membranas de casca de ovo, asas de insetos, grãos de pólen, folhas de plantas, celulose de madeira, agregados de proteínas, seda de aranha, diatomáceas e outros organismos.

9. Método de modelagem de polímero

Como as estruturas poliméricas com macroporos podem ser usadas como modelos para a fabricação de materiais porosos hierárquicos? Polímeros macroporosos podem atuar como andaimes, com reações químicas ou infiltração de nanopartículas ocorrendo ao seu redor ou dentro deles, orientando a morfologia do material. Após a remoção do polímero, o material mantém as características estruturais do modelo original.

10. Método do Fluido Supercrítico

Como sintetizar materiais com estruturas porosas bem definidas utilizando apenas água e dióxido de carbono, sem a necessidade de solventes orgânicos voláteis, oferecendo assim amplas perspectivas de aplicação? A remoção da fase de gotículas é simples porque o dióxido de carbono reverte para um estado gasoso após a despressurização. Fluidos supercríticos, que não são gases nem líquidos, podem ser gradualmente comprimidos de baixas para altas densidades. Portanto, os fluidos supercríticos são cruciais como solventes ajustáveis ​​e meios de reação em processos químicos. A tecnologia de fluidos supercríticos é um método importante para sintetizar e processar materiais porosos hierárquicos.

Semicorex oferece alta qualidadesoluções de grafitepara processos de semicondutores. Se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

Telefone de contato # +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com