المواد الكربونية المسامية الهرمية: التوليف والمقدمة

هرميمواد مسامية، تمتلك هياكل مسام متعددة المستويات - المسام الكبيرة (القطر> 50 نانومتر)، المسام المتوسطة (2-50 نانومتر)، والمسام الصغيرة (<2 نانومتر) - تظهر مساحات سطحية عالية محددة، ونسب حجم مسام عالية، ونفاذية معززة، وخصائص نقل كتلة منخفضة ، وقدرات تخزينية كبيرة. وقد أدت هذه السمات إلى اعتمادها على نطاق واسع في مختلف المجالات، بما في ذلك الحفز والامتزاز والفصل والطاقة وعلوم الحياة، مما يعرض أداءً متفوقًا على المواد المسامية الأبسط.

استخلاص الإلهام من الطبيعة

العديد من تصميمات المواد المسامية الهرمية مستوحاة من الهياكل الطبيعية. يمكن لهذه المواد تعزيز نقل الكتلة، وتمكين التخلل الانتقائي، وإنشاء بيئات كبيرة محبة للماء، وتعديل الخصائص البصرية للمواد.

استراتيجيات لتجميع التسلسل الهرميالمواد المسامية

1. طريقة Templating السطحي

كيف يمكننا الاستفادة من المواد الخافضة للتوتر السطحي لتشكيل مواد مسامية هرمية؟ يعد استخدام اثنين من المواد الخافضة للتوتر السطحي بأحجام جزيئية مختلفة كقوالب بمثابة استراتيجية واضحة. تم استخدام المجاميع الجزيئية ذاتية التجميع أو التجمعات فوق الجزيئية ذات الفاعل بالسطح كعوامل توجيه البنية لبناء الهياكل المسامية. من خلال التحكم الدقيق في فصل الطور، يمكن تصنيع الهياكل المسامية الهرمية باستخدام قالب الفاعل بالسطح المزدوج.

في المحاليل المائية المخففة ذات الفاعل بالسطح، يؤدي تقليل تلامس سلسلة الهيدروكربون مع الماء إلى تقليل الطاقة الحرة للنظام. تحدد محبة الماء للمجموعات الطرفية للفاعل بالسطح النوع والحجم والخصائص الأخرى للركام المتكون من العديد من جزيئات الفاعل بالسطح. يرتبط CMC للمحاليل المائية للخافض للتوتر السطحي بالتركيب الكيميائي للخافض للتوتر السطحي و/أو درجة الحرارة و/أو المذيبات المستخدمة في النظام.

يتم تحضير المواد الهلامية السيليكا ثنائية النسق باستخدام محاليل تحتوي على بوليمرات مشتركة (KLE أو SE أو F127) ومواد خافضة للتوتر السطحي أصغر (IL أو CTAB أو P123).

2. طريقة النسخ المتماثل

ما هو النهج الكلاسيكي للتوليفمواد كربونية مسامية؟ يتضمن إجراء النسخ المتماثل العام للكربون المسامي إعداد مادة كربونية أولية/قالب غير عضوي مركب، والكربنة، والإزالة اللاحقة للقالب غير العضوي. يمكن تقسيم هذه الطريقة إلى فئتين. تتضمن الفئة الأولى تضمين قوالب غير عضوية داخل سلائف الكربون، مثل جسيمات السيليكا النانوية. بعد الكربنة وإزالة القالب، قامت المواد الكربونية المسامية الناتجة بعزل المسام التي كانت تشغلها في البداية أنواع القالب. الطريقة الثانية تدخل مادة الكربون في مسام القالب. تمتلك المواد الكربونية المسامية المتولدة بعد الكربنة وإزالة القالب هياكل مسام مترابطة.

3. طريقة سول-جل

كيف يتم استخدام طريقة sol-gel لتصنيع المواد المسامية الهرمية؟ يبدأ الأمر بتكوين معلق جسيمي غرواني (سول)، يليه تكوين مادة هلامية مكونة من جزيئات سول مجمعة. تنتج المعالجة الحرارية للجيل المادة والشكل المطلوب، مثل المساحيق والألياف والأفلام والمتراصات. السلائف عادة ما تكون مركبات عضوية فلزية، مثل ألكوكسيدات، أو ألكوكسيدات مخلبة، أو أملاح معدنية مثل كلوريدات الفلزات، والكبريتات، والنترات. يؤدي التحلل المائي الأولي للألكوكسيدات أو نزع البروتونات من جزيئات الماء المنسقة إلى تكوين مجموعات هيدروكسيل تفاعلية، والتي تخضع بعد ذلك لعمليات تكثيف لتكوين أوليجومرات متفرعة، وبوليمرات، ونوى ذات هيكل أكسيد معدني، ومجموعات هيدروكسيل وألكوكسيد تفاعلية متبقية.

4. طريقة ما بعد العلاج

ما هي طرق ما بعد المعالجة المستخدمة لتحضير المواد المسامية الهرمية عن طريق إدخال المسام الثانوية؟ تنقسم هذه الأساليب عمومًا إلى ثلاث فئات. الفئة الأولى تنطوي على تطعيم إضافيمواد مساميةعلى المادة المسامية الأصلية. والثاني ينطوي على النقش الكيميائي أو الترشيح للمادة المسامية الأصلية للحصول على مسام إضافية. والثالث يتضمن تجميع أو ترتيب سلائف المواد المسامية (الجسيمات النانوية عادةً) باستخدام طرق كيميائية أو فيزيائية (مثل الترسيب متعدد الطبقات والطباعة النافثة للحبر) لإنشاء مسام جديدة. المزايا الهامة للمعالجة اللاحقة هي: (ط) القدرة على تصميم وظائف مختلفة لتلبية المتطلبات المختلفة؛ (2) القدرة على الحصول على مجموعة متنوعة من الهياكل لتصميم الأنماط والتشكلات المنظمة؛ (3) القدرة على الجمع بين أنواع مختلفة من المسام لتوسيع التطبيقات المطلوبة.

5. طريقة قالب المستحلب

كيف يمكن لضبط الطور الزيتي أو الطور المائي في المستحلب أن يشكل هياكل هرمية بأحجام مسام تتراوح من نانومتر إلى ميكرومتر؟ تتصلب المواد الأولية حول القطرات، ثم تتم إزالة المذيبات من خلال التبخر، مما ينتج عنه مواد مسامية. وفي معظم الحالات، يكون الماء أحد المذيبات. يمكن تكوين المستحلبات عن طريق تشتيت قطرات الماء في مرحلة الزيت، والمعروفة باسم "مستحلبات الماء في الزيت (W/O)،" أو عن طريق تشتيت قطرات الزيت في الماء، والمعروفة باسم "مستحلبات الزيت في الماء (O/W)". المستحلبات."

لتصنيع البوليمرات المسامية ذات الأسطح المحبة للماء، تُستخدم مستحلبات W/O على نطاق واسع لضبط بنياتها المسامية الكارهة للماء. لتعزيز المحبة للماء، تتم إضافة البوليمرات المشتركة القابلة للتشغيل (مثل كلوريد بنزيل الفينيل) إلى المونومرات غير القابلة للتشغيل (مثل الستايرين) في المستحلب. عن طريق ضبط أحجام القطيرات، بشكل هرميمواد مساميةمع المساميات المترابطة ويمكن الحصول على أقطار المسام المستمرة.

6. طريقة تركيب الزيوليت

كيف يمكن لاستراتيجيات تخليق الزيوليت، بالاشتراك مع استراتيجيات التوليف الأخرى، توليد مواد مسامية هرمية؟ يمكن استخدام استراتيجيات النمو الزائد المستندة إلى التحكم في فصل الطور أثناء تخليق الزيوليت للحصول على الزيوليت ثنائي الصغر مع هياكل أساسية/قشرة هرمية، والتي يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع. النوع الأول ينطوي على النمو الزائد من خلال النوى المتماثلة (مثل ZSM-5/silicalite-1)، حيث تعمل البلورات الأساسية كعوامل توجيه البنية. النوع الثاني هو النمو الفوقي، مثل أنواع الزيوليت LTA/FAU، التي تنطوي على نفس وحدات البناء مع ترتيبات مكانية مختلفة. في هذه الطريقة، نظرًا للنمو الزائد الانتقائي لطبقات الزيوليت، لا يمكن إجراء الطلاء إلا على وجوه بلورية محددة معينة. النوع الثالث هو النمو الزائد على الزيوليتات المختلفة، مثل أنواع FAU/MAZ، وBEA/MFI، وMFI/AFI. تتكون هذه الزيوليتات بالكامل من هياكل زيوليتية مختلفة، وبالتالي تمتلك خصائص كيميائية وهيكلية مميزة.

7. طريقة قوالب الكريستال الغروية

كيف يمكن لطريقة قولبة البلورات الغروية، مقارنة بالطرق الأخرى، تصنيع مواد ذات هياكل مسام دورية مرتبة على مدى نطاق أكبر؟ المسامية المتولدة باستخدام هذه الطريقة هي نسخة طبق الأصل مباشرة من المجموعة الدورية من الجزيئات الغروية الموحدة المستخدمة كقوالب صلبة، مما يجعل من الأسهل بناء مستويات حجم هرمية مقارنة بطرق القوالب الأخرى. يمكن أن يؤدي استخدام قوالب الكريستال الغروية إلى مسامية إضافية تتجاوز الفراغات الغروية المجمعة.

يتم توضيح الخطوات الأساسية لنموذج البلورات الغروية، بما في ذلك تشكيل قوالب البلورات الغروية، وتسلل السلائف، وإزالة القالب. بشكل عام، يمكن إنشاء هياكل قالب السطح والحجم. تتميز الهياكل الكبيرة الحجم المرتبة ثلاثية الأبعاد (3DOM) التي تم إنشاؤها من خلال القوالب السطحية بشبكات "بالونية" مترابطة وشبكات تشبه الدعامة.

8. طريقة القالب الحيوي

كيف هي التسلسل الهرميمواد مساميةيتم تصنيعها من خلال استراتيجيات المحاكاة الحيوية التي تحاكي مباشرة المواد الطبيعية أو عمليات التجميع التلقائي؟ يمكن تعريف كلتا الطريقتين على أنهما عمليات مستوحاة من المواد الحيوية.

يمكن استخدام مجموعة واسعة من المواد الطبيعية ذات الهياكل المسامية الهرمية مباشرة كقوالب حيوية بسبب تكلفتها المنخفضة وملاءمتها للبيئة. ومن بين هذه المواد، تم الإبلاغ عن الخيوط البكتيرية، وإحباطات الدياتوم، وأغشية قشر البيض، وأجنحة الحشرات، وحبوب اللقاح، وأوراق النباتات، وسليلوز الخشب، ومجموعات البروتين، وحرير العنكبوت، والدياتومات، وغيرها من الكائنات الحية.

9. طريقة قوالب البوليمر

كيف يمكن استخدام هياكل البوليمر ذات المسام الكبيرة كقوالب لتصنيع المواد المسامية الهرمية؟ يمكن أن تعمل البوليمرات كبيرة المسام كسقالات، حيث تحدث تفاعلات كيميائية أو تسلل للجسيمات النانوية حولها أو داخلها، مما يؤدي إلى توجيه مورفولوجيا المادة. بعد إزالة البوليمر، تحتفظ المادة بالخصائص الهيكلية للقالب الأصلي.

10. طريقة السوائل فوق الحرجة

كيف يمكن تصنيع المواد ذات الهياكل المسامية المحددة جيدًا باستخدام الماء وثاني أكسيد الكربون فقط، دون الحاجة إلى المذيبات العضوية المتطايرة، مما يوفر آفاقًا واسعة للتطبيق؟ تعد إزالة مرحلة القطرات أمرًا مباشرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يعود إلى الحالة الغازية عند انخفاض الضغط. يمكن ضغط السوائل فوق الحرجة، وهي ليست غازات ولا سوائل، تدريجيًا من كثافات منخفضة إلى عالية. ولذلك، تعتبر السوائل فوق الحرجة حاسمة كمذيبات قابلة للضبط ووسائط التفاعل في العمليات الكيميائية. تعد تقنية الموائع فوق الحرجة طريقة مهمة لتركيب ومعالجة المواد المسامية الهرمية.

تقدم Semicorex جودة عاليةحلول الجرافيتلعمليات أشباه الموصلات. إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال رقم +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com