계층적 다공성 탄소 재료: 합성 및 소개

계층적다공성 재료다단계 기공 구조(직경 > 50 nm), 중간 기공(2-50 nm) 및 미세 기공(<2 nm)을 보유하여 높은 비표면적, 높은 기공 부피 비율, 향상된 투과성, 낮은 물질 전달 특성을 나타냅니다. , 그리고 상당한 저장 용량. 이러한 특성으로 인해 촉매 작용, 흡착, 분리, 에너지 및 생명 과학을 포함한 다양한 분야에서 널리 채택되어 단순한 다공성 재료보다 우수한 성능을 보여줍니다.

자연에서 영감을 얻다

계층적 다공성 재료의 많은 디자인은 자연 구조에서 영감을 받았습니다. 이러한 물질은 물질 전달을 향상시키고 선택적 투과를 가능하게 하며 상당한 친수성-소수성 환경을 조성하고 물질의 광학적 특성을 조절할 수 있습니다.

계층적 합성 전략다공성 재료

1. 계면활성제 템플릿 방법

계층적 메조다공성 물질을 형성하기 위해 계면활성제를 어떻게 활용할 수 있습니까? 서로 다른 분자 크기의 두 가지 계면활성제를 템플릿으로 사용하는 것은 간단한 전략입니다. 계면활성제 자가 조립 분자 집합체 또는 초분자 조립체는 다공성 구조를 구축하기 위한 구조 지시제로 사용되어 왔습니다. 상 분리를 신중하게 제어함으로써 이중 계면활성제 템플릿을 사용하여 계층적 기공 구조를 합성할 수 있습니다.

희석된 계면활성제 수용액에서 탄화수소 사슬과 물의 접촉이 감소하면 시스템의 자유 에너지가 감소합니다. 계면활성제 말단 그룹의 친수성은 많은 계면활성제 분자에 의해 형성된 집합체의 유형, 크기 및 기타 특성을 결정합니다. 계면활성제 수용액의 CMC는 시스템에 사용되는 계면활성제, 온도 및/또는 공용매의 화학 구조와 관련이 있습니다.

이중 모드 메조포러스 실리카겔은 블록 공중합체(KLE, SE 또는 F127)와 더 작은 계면활성제(IL, CTAB 또는 P123)를 포함하는 용액을 사용하여 제조됩니다.

2. 복제 방법

합성에 대한 고전적인 접근 방식은 무엇입니까다공성 탄소 재료? 다공성 탄소에 대한 일반적인 템플릿 복제 절차에는 탄소 전구체/무기 템플릿 복합체 준비, 탄화 및 후속 무기 템플릿 제거가 포함됩니다. 이 방법은 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 범주에는 실리카 나노입자와 같은 탄소 전구체 내에 무기 템플릿을 삽입하는 것이 포함됩니다. 탄화 및 템플릿 제거 후 생성된 다공성 탄소 재료는 초기에 템플릿 종이 차지한 격리된 기공을 갖습니다. 두 번째 방법은 탄소 전구체를 템플릿 기공에 도입하는 것입니다. 탄화 및 템플릿 제거 후에 생성된 다공성 탄소 물질은 상호 연결된 기공 구조를 가지고 있습니다.

3. 솔겔법

계층적 다공성 물질을 합성하는 데 졸-겔 방법은 어떻게 사용됩니까? 이는 콜로이드 입자 현탁액(졸)의 형성으로 시작하여 응집된 졸 입자로 구성된 겔의 형성으로 이어집니다. 겔을 열처리하면 분말, 섬유, 필름 및 단일체와 같은 원하는 재료와 형태가 생성됩니다. 전구체는 일반적으로 알콕시드, 킬레이트 알콕시드와 같은 금속 유기 화합물 또는 금속 염화물, 황산염 및 질산염과 같은 금속염입니다. 알콕시드의 초기 가수분해 또는 배위된 물 분자의 탈양성자화는 반응성 수산기의 형성으로 이어지며, 이후 축합 과정을 거쳐 분지형 올리고머, 중합체, 금속 산화물 골격을 가진 핵, 반응성 잔류 수산기와 알콕시드기를 형성합니다.

4. 후처리 방법

2차 기공을 도입하여 계층적 다공성 물질을 제조하는 데 사용되는 후처리 방법은 무엇입니까? 이러한 방법은 일반적으로 세 가지 범주로 분류됩니다. 첫 번째 범주에는 추가 접목이 포함됩니다.다공성 재료원래의 다공성 물질 위에 두 번째는 추가 기공을 얻기 위해 원래의 다공성 물질을 화학적으로 에칭하거나 침출하는 것입니다. 세 번째는 화학적 또는 물리적 방법(예: 다층 증착 및 잉크젯 인쇄)을 사용하여 다공성 물질(일반적으로 나노입자)의 전구체를 조립하거나 배열하여 새로운 기공을 생성하는 것입니다. 후처리의 중요한 장점은 다음과 같습니다. (i) 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 기능을 설계할 수 있는 능력; (ii) 조직화된 패턴과 형태를 디자인하기 위해 다양한 구조를 얻는 능력; (iii) 원하는 용도를 확장하기 위해 다양한 유형의 기공을 결합하는 능력.

5. 에멀젼 템플릿 방법

에멀젼의 유상 또는 수상을 조정하면 어떻게 나노미터에서 마이크로미터에 이르는 기공 크기를 갖는 계층 구조를 형성할 수 있습니까? 전구체는 액적 주변에서 고형화된 다음 증발을 통해 용매가 제거되어 다공성 물질이 생성됩니다. 대부분의 경우 물은 용매 중 하나입니다. 에멀젼은 "유중수(W/O) 에멀젼"으로 알려진 유상에 물방울을 분산시키거나 "수중유(O/W)"로 알려진 물에 기름 방울을 분산시켜 형성될 수 있습니다. 에멀젼."

친수성 표면을 갖는 다공성 고분자를 제조하기 위해 W/O 에멀젼이 소수성 다공성 구조를 조정하는 데 널리 사용됩니다. 친수성을 강화하기 위해 기능화 가능한 공중합체(예: 비닐 벤질 클로라이드)를 에멀젼의 비기능성 단량체(예: 스티렌)에 첨가합니다. 액적 크기를 조정하여 계층적으로다공성 재료상호 연결된 다공성과 연속적인 기공 직경을 얻을 수 있습니다.

6. 제올라이트 합성방법

다른 합성 전략과 결합된 제올라이트 합성 전략은 어떻게 계층적 다공성 물질을 생성할 수 있습니까? 제올라이트 합성 중 상 분리 제어에 기반한 과성장 전략을 사용하면 세 가지 유형으로 나눌 수 있는 계층적 코어/쉘 구조를 갖는 이중 미세다공성 제올라이트를 얻을 수 있습니다. 첫 번째 유형은 코어 결정이 구조 지시제 역할을 하는 동형 코어(예: ZSM-5/실리칼라이트-1)를 통한 과잉 성장을 포함합니다. 두 번째 유형은 서로 다른 공간 배열을 가진 동일한 건물 단위를 포함하는 제올라이트 LTA/FAU 유형과 같은 에피택셜 성장입니다. 이 방법에서는 제올라이트 층의 선택적인 과성장으로 인해 특정 특정 결정면에만 코팅이 수행될 수 있습니다. 세 번째 유형은 FAU/MAZ, BEA/MFI 및 MFI/AFI 유형과 같은 다양한 제올라이트의 과잉 성장입니다. 이러한 제올라이트는 완전히 다른 제올라이트 구조로 구성되어 있어 뚜렷한 화학적, 구조적 특성을 가지고 있습니다.

7. 콜로이드 결정 템플릿 방법

다른 방법과 비교하여 콜로이드 결정 템플릿 방법은 어떻게 더 큰 크기 범위에 걸쳐 규칙적이고 주기적인 기공 구조를 가진 재료를 제조합니까? 이 방법을 사용하여 생성된 다공성은 하드 템플릿으로 사용되는 균일한 콜로이드 입자의 주기적인 배열을 직접 복제한 것이므로 다른 템플릿 방법에 비해 계층적 크기 수준을 구성하기가 더 쉽습니다. 콜로이드 결정 템플릿을 사용하면 조립된 콜로이드 공극을 넘어 추가적인 다공성을 얻을 수 있습니다.

콜로이드 결정 템플릿의 형성, 전구체 침투 및 템플릿 제거를 포함하여 콜로이드 결정 템플릿의 기본 단계가 설명되어 있습니다. 일반적으로 표면 및 볼륨 템플릿 구조를 모두 생성할 수 있습니다. 표면 템플릿 기능을 통해 생성된 3차원 정렬 거대 다공성(3DOM) 구조는 상호 연결된 "풍선" 및 스트럿형 네트워크를 특징으로 합니다.

8. 바이오 템플릿 방법

계층적 방식은 어떻게 되나요?다공성 재료천연 재료를 직접 복제하는 생체 모방 전략을 통해 제조됩니까 아니면 자발적인 조립 공정을 통해 제조됩니까? 두 방법 모두 생체 영감을 받은 프로세스로 정의될 수 있습니다.

계층적 다공성 구조를 지닌 다양한 천연 재료는 가격이 저렴하고 친환경적이므로 바이오 템플릿으로 직접 사용할 수 있습니다. 이러한 물질 중에는 세균 실, 규조류, 달걀 껍질 막, 곤충 날개, 꽃가루 알갱이, 식물 잎, 나무 셀룰로오스, 단백질 응집체, 거미줄, 규조류 및 기타 유기체가 보고되었습니다.

9. 폴리머 템플릿 방법

거대 기공이 있는 고분자 구조를 계층적 다공성 물질 제조를 위한 템플릿으로 어떻게 사용할 수 있습니까? 거대 다공성 폴리머는 화학 반응이나 그 주변이나 내부에서 발생하는 나노 입자의 침투와 함께 스캐폴드 역할을 하여 재료의 형태를 안내할 수 있습니다. 폴리머가 제거된 후에도 재료는 원래 템플릿의 구조적 특성을 유지합니다.

10. 초임계유체법

휘발성 유기용매 없이 물과 이산화탄소만 사용하여 잘 정의된 다공성 구조를 가진 물질을 어떻게 합성하여 광범위한 응용 가능성을 제공할 수 있습니까? 감압 시 이산화탄소가 기체 상태로 되돌아가기 때문에 액적 상의 제거는 간단합니다. 기체도 액체도 아닌 초임계 유체는 낮은 밀도에서 높은 밀도로 점진적으로 압축될 수 있습니다. 따라서 초임계 유체는 화학 공정에서 조정 가능한 용매 및 반응 매체로서 중요합니다. 초임계 유체 기술은 계층적 다공성 물질을 합성하고 처리하는 중요한 방법입니다.

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