Bahan Karbon Berpori Hierarki: Sintesis dan Pengenalan

Hierarkibahan berpori, memiliki struktur pori bertingkat—pori makro (diameter > 50 nm), mesopori (2-50 nm), dan pori mikro (<2 nm)—menunjukkan luas permukaan spesifik yang tinggi, rasio volume pori yang tinggi, peningkatan permeabilitas, karakteristik perpindahan massa yang rendah , dan kapasitas penyimpanan yang besar. Atribut-atribut ini telah menyebabkan penerapannya secara luas di berbagai bidang, termasuk katalisis, adsorpsi, pemisahan, energi, dan ilmu hayati, sehingga menunjukkan kinerja yang unggul dibandingkan material berpori yang lebih sederhana.

Menggambar Inspirasi dari Alam

Banyak desain material berpori hierarki yang terinspirasi oleh struktur alami. Bahan-bahan ini dapat meningkatkan perpindahan massa, memungkinkan permeasi selektif, menciptakan lingkungan hidrofilik-hidrofobik yang signifikan, dan memodulasi sifat optik bahan.

Strategi untuk Mensintesis HierarkiBahan Berpori

1. Metode Templating Surfaktan

Bagaimana kita dapat memanfaatkan surfaktan untuk membentuk bahan mesopori hierarkis? Menggunakan dua surfaktan dengan ukuran molekul berbeda sebagai templat adalah strategi yang mudah. Agregat molekuler surfaktan yang dirakit sendiri atau rakitan supramolekul telah digunakan sebagai bahan pengarah struktur untuk membangun struktur berpori. Dengan mengontrol pemisahan fase secara hati-hati, struktur pori hierarki dapat disintesis menggunakan templat surfaktan ganda.

Dalam larutan surfaktan encer, pengurangan kontak rantai hidrokarbon dengan air menurunkan energi bebas sistem. Hidrofilisitas gugus terminal surfaktan menentukan jenis, ukuran, dan karakteristik agregat lainnya yang dibentuk oleh banyak molekul surfaktan. CMC larutan berair surfaktan berkaitan dengan struktur kimia surfaktan, suhu, dan/atau kosolvent yang digunakan dalam sistem.

Gel silika mesopori bimodal dibuat menggunakan larutan yang mengandung kopolimer blok (KLE, SE, atau F127) dan surfaktan yang lebih kecil (IL, CTAB, atau P123).

2. Metode Replikasi

Apa pendekatan klasik untuk mensintesisbahan karbon berpori? Prosedur replikasi templat umum untuk karbon berpori melibatkan penyiapan prekursor karbon/komposit templat anorganik, karbonisasi, dan selanjutnya penghilangan templat anorganik. Metode ini dapat dibagi menjadi dua kategori. Kategori pertama melibatkan penanaman templat anorganik di dalam prekursor karbon, seperti nanopartikel silika. Setelah karbonisasi dan penghilangan templat, bahan karbon berpori yang dihasilkan telah mengisolasi pori-pori yang awalnya ditempati oleh spesies templat. Metode kedua memasukkan prekursor karbon ke dalam pori-pori cetakan. Bahan karbon berpori yang dihasilkan setelah karbonisasi dan penghilangan templat memiliki struktur pori yang saling berhubungan.

3. Metode Sol-Gel

Bagaimana metode sol-gel digunakan untuk mensintesis bahan berpori hierarki? Dimulai dengan pembentukan suspensi partikel koloid (sol), diikuti dengan pembentukan gel yang tersusun dari partikel sol yang teragregasi. Perlakuan termal pada gel menghasilkan bahan dan morfologi yang diinginkan, seperti bubuk, serat, film, dan monolit. Prekursor biasanya berupa senyawa organik logam, seperti alkoksida, alkoksida khelat, atau garam logam seperti logam klorida, sulfat, dan nitrat. Hidrolisis awal alkoksida atau deprotonasi molekul air terkoordinasi mengarah pada pembentukan gugus hidroksil reaktif, yang kemudian mengalami proses kondensasi membentuk oligomer bercabang, polimer, inti dengan kerangka oksida logam, dan sisa gugus hidroksil dan alkoksida yang reaktif.

4. Metode Pasca Perawatan

Metode pascaperawatan apa yang digunakan untuk menyiapkan bahan berpori hierarkis dengan memasukkan pori-pori sekunder? Metode-metode ini umumnya terbagi dalam tiga kategori. Kategori pertama melibatkan pencangkokan tambahanbahan berporike bahan berpori asli. Yang kedua melibatkan etsa kimia atau pencucian bahan berpori asli untuk mendapatkan pori-pori tambahan. Yang ketiga melibatkan perakitan atau penyusunan prekursor bahan berpori (biasanya nanopartikel) menggunakan metode kimia atau fisik (seperti deposisi multilayer dan pencetakan inkjet) untuk membuat pori-pori baru. Keuntungan signifikan pasca-perawatan adalah: (i) kemampuan merancang berbagai fungsi untuk memenuhi kebutuhan berbeda; (ii) kemampuan memperoleh beragam struktur untuk merancang pola dan morfologi yang terorganisir; (iii) kemampuan untuk menggabungkan berbagai jenis pori untuk memperluas aplikasi yang diinginkan.

5. Metode Templating Emulsi

Bagaimana pengaturan fase minyak atau fase air dalam suatu emulsi dapat membentuk struktur hierarki dengan ukuran pori mulai dari nanometer hingga mikrometer? Prekursor mengeras di sekitar tetesan, dan kemudian pelarut dihilangkan melalui penguapan, menghasilkan bahan berpori. Dalam kebanyakan kasus, air adalah salah satu pelarut. Emulsi dapat dibentuk dengan mendispersikan tetesan air dalam fase minyak, yang dikenal sebagai “emulsi air dalam minyak (W/O),” atau dengan mendispersikan tetesan minyak ke dalam air, yang dikenal sebagai “minyak dalam air (O/W) emulsi."

Untuk memproduksi polimer berpori dengan permukaan hidrofilik, emulsi W/O banyak digunakan untuk mengatur struktur berpori hidrofobiknya. Untuk meningkatkan hidrofilisitas, kopolimer yang dapat difungsikan (seperti vinil benzil klorida) ditambahkan ke monomer yang tidak dapat difungsikan (seperti stirena) dalam emulsi. Dengan menyesuaikan ukuran tetesan, hierarkisbahan berporidengan porositas yang saling berhubungan dan diameter pori kontinu dapat diperoleh.

6. Metode Sintesis Zeolit

Bagaimana strategi sintesis zeolit, dikombinasikan dengan strategi sintesis lainnya, dapat menghasilkan material berpori hierarkis? Strategi pertumbuhan berlebih berdasarkan kontrol pemisahan fasa selama sintesis zeolit ​​​​dapat digunakan untuk memperoleh zeolit ​​​​bi-mikropori dengan struktur inti/cangkang hierarkis, yang dapat dibagi menjadi tiga jenis. Tipe pertama melibatkan pertumbuhan berlebih melalui inti isomorf (seperti ZSM-5/silikalit-1), di mana kristal inti bertindak sebagai agen pengarah struktur. Tipe kedua adalah pertumbuhan epitaksi, seperti zeolit ​​tipe LTA/FAU, yang melibatkan unit bangunan yang sama dengan penataan ruang yang berbeda. Dalam metode ini, karena pertumbuhan lapisan zeolit ​​yang berlebihan secara selektif, pelapisan hanya dapat dilakukan pada permukaan kristal tertentu. Tipe ketiga adalah pertumbuhan berlebih pada zeolit ​​​​berbeda, seperti tipe FAU/MAZ, BEA/MFI, dan MFI/AFI. Zeolit ​​ini seluruhnya terdiri dari struktur zeolit ​​​​yang berbeda, sehingga memiliki karakteristik kimia dan struktur yang berbeda.

7. Metode Templating Kristal Koloid

Bagaimana metode templating kristal koloid, dibandingkan dengan metode lain, menghasilkan bahan dengan struktur pori periodik yang teratur pada rentang ukuran yang lebih besar? Porositas yang dihasilkan menggunakan metode ini merupakan replika langsung dari susunan periodik partikel koloid seragam yang digunakan sebagai templat keras, sehingga lebih mudah untuk membangun tingkat ukuran hierarki dibandingkan dengan metode templating lainnya. Penggunaan templat kristal koloid dapat menghasilkan porositas tambahan di luar rongga koloid yang terkumpul.

Langkah-langkah dasar templating kristal koloid diilustrasikan, termasuk pembentukan templat kristal koloid, infiltrasi prekursor, dan penghilangan templat. Umumnya, struktur templat permukaan dan volume dapat dihasilkan. Struktur makropori terurut tiga dimensi (3DOM) dihasilkan melalui fitur templating permukaan yang saling berhubungan "balon" dan jaringan seperti penyangga.

8. Metode Bio-templat

Bagaimana hierarkinyabahan berporidiproduksi melalui strategi biomimetik yang secara langsung meniru bahan alami atau proses perakitan spontan? Kedua metode tersebut dapat didefinisikan sebagai proses yang terinspirasi oleh bio.

Berbagai macam bahan alami dengan struktur berpori hierarki dapat digunakan langsung sebagai biotemplate karena biayanya yang rendah dan ramah lingkungan. Di antara bahan-bahan ini, benang bakteri, frustula diatom, membran kulit telur, sayap serangga, butiran serbuk sari, daun tanaman, selulosa kayu, agregat protein, sutra laba-laba, diatom, dan organisme lain telah dilaporkan.

9. Metode Templating Polimer

Bagaimana struktur polimer dengan makropori dapat digunakan sebagai templat untuk pembuatan bahan berpori hierarki? Polimer berpori makro dapat bertindak sebagai perancah, dengan reaksi kimia atau infiltrasi nanopartikel yang terjadi di sekitar atau di dalamnya, yang memandu morfologi material. Setelah polimer dihilangkan, material mempertahankan karakteristik struktural dari cetakan aslinya.

10. Metode Fluida Superkritis

Bagaimana bahan dengan struktur berpori yang jelas dapat disintesis hanya dengan menggunakan air dan karbon dioksida, tanpa memerlukan pelarut organik yang mudah menguap, sehingga menawarkan prospek penerapan yang luas? Penghapusan fase tetesan sangatlah mudah karena karbon dioksida kembali ke bentuk gas setelah depresurisasi. Fluida superkritis, yang bukan merupakan gas atau cairan, dapat dikompresi secara bertahap dari kepadatan rendah ke kepadatan tinggi. Oleh karena itu, fluida superkritis sangat penting sebagai pelarut dan media reaksi yang dapat diatur dalam proses kimia. Teknologi fluida superkritis adalah metode penting untuk mensintesis dan memproses bahan berpori hierarki.

Semicorex menawarkan kualitas tinggisolusi grafituntuk proses semikonduktor. Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Hubungi telepon #+86-13567891907

Email: penjualan@semicorex.com