階層型多孔質炭素材料：合成と導入

階層的多孔質材料マクロ細孔 (直径 > 50 nm)、メソ細孔 (2 ～ 50 nm)、およびミクロ細孔 (<2 nm) というマルチレベルの細孔構造を持ち、高い比表面積、高い細孔容積比、強化された透過性、低い物質移動特性を示します。 、そして充実したストレージ容量。これらの特性により、触媒、吸着、分離、エネルギー、ライフサイエンスなどのさまざまな分野で広く採用され、単純な多孔質材料よりも優れた性能を示しています。

自然からインスピレーションを得る

階層的多孔質材料のデザインの多くは、自然構造からインスピレーションを得ています。これらの材料は、物質移動を強化し、選択的透過を可能にし、重要な親水性/疎水性環境を作り出し、材料の光学特性を調節することができます。

階層を合成するための戦略多孔質材料

1. 界面活性剤テンプレート法

界面活性剤を利用して階層型メソポーラス材料を形成するにはどうすればよいでしょうか?分子サイズの異なる 2 つの界面活性剤をテンプレートとして使用するのは簡単な戦略です。界面活性剤の自己組織化分子集合体または超分子集合体は、多孔質構造を構築するための構造指向剤として使用されてきました。相分離を注意深く制御することにより、二重界面活性剤テンプレートを使用して階層的な細孔構造を合成できます。

希薄な界面活性剤水溶液では、水と接触する炭化水素鎖が減少し、系の自由エネルギーが減少します。界面活性剤末端基の親水性は、多くの界面活性剤分子によって形成される凝集体の種類、サイズ、その他の特性を決定します。界面活性剤水溶液の CMC は、界面活性剤の化学構造、温度、および/またはシステムで使用される共溶媒に関連します。

二峰性メソポーラス シリカゲルは、ブロック共重合体 (KLE、SE、または F127) と低分子界面活性剤 (IL、CTAB、または P123) を含む溶液を使用して調製されます。

2. レプリケーション方法

古典的な合成アプローチとは何ですか多孔質炭素材料?多孔質炭素の一般的なテンプレート複製手順には、炭素前駆体/無機テンプレート複合材料の調製、炭化、およびその後の無機テンプレートの除去が含まれます。この方法は 2 つのカテゴリに分類できます。最初のカテゴリには、シリカ ナノ粒子などの炭素前駆体内に無機テンプレートを埋め込むことが含まれます。炭化とテンプレートの除去後、得られる多孔質炭素材料には、最初はテンプレート種が占めていた孤立した細孔が存在します。 2 番目の方法では、炭素前駆体をテンプレートの細孔に導入します。炭化およびテンプレートの除去後に生成される多孔質炭素材料は、相互に接続された細孔構造を持っています。

3. ゾルゲル法

ゾルゲル法は階層的多孔質材料の合成にどのように使用されますか?それはコロイド粒子懸濁液 (ゾル) の形成から始まり、続いて凝集したゾル粒子から構成されるゲルが形成されます。ゲルを熱処理すると、粉末、繊維、フィルム、モノリスなどの目的の材料と形態が得られます。前駆体は通常、アルコキシド、キレート化アルコキシド、または金属塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの金属塩などの金属有機化合物です。アルコキシドの最初の加水分解または配位水分子の脱プロトン化により反応性ヒドロキシル基が形成され、その後縮合プロセスを経て分岐オリゴマー、ポリマー、金属酸化物骨格を有する核、反応性残留ヒドロキシル基およびアルコキシド基が形成されます。

4. 後処理方法

二次細孔を導入して階層的な多孔質材料を作製するには、どのような後処理方法が使用されますか?これらの方法は通常、3 つのカテゴリに分類されます。最初のカテゴリには追加の接ぎ木が含まれます多孔質材料元の多孔質材料上に。 2 番目の方法では、元の多孔質材料を化学エッチングまたは浸出して追加の細孔を取得します。 3 つ目は、化学的または物理的方法（多層蒸着やインクジェット印刷など）を使用して多孔質材料（通常はナノ粒子）の前駆体を組み立てまたは配置して、新しい細孔を作成することを含みます。後処理の重要な利点は次のとおりです。(i) さまざまな要件を満たすためにさまざまな機能を設計できること。 (ii) 組織化されたパターンや形態を設計するためのさまざまな構造を取得する能力。 (iii) さまざまなタイプの細孔を組み合わせて、所望の用途を拡張する能力。

5. エマルジョンテンプレート法

エマルジョン中の油相または水相を調整すると、どのようにしてナノメートルからマイクロメートルの範囲の細孔サイズを持つ階層構造が形成されるのでしょうか?前駆体が液滴の周囲で固化し、その後溶媒が蒸発によって除去され、多孔質材料が得られます。ほとんどの場合、水は溶媒の 1 つです。エマルションは、「油中水型（W/O）エマルション」として知られる油相に水滴を分散させることによって、または「水中油型（O/W）エマルション」として知られる水中に油滴を分散させることによって形成できます。乳液。」

親水性表面を備えた多孔質ポリマーを製造するには、疎水性の多孔質構造を調整するために W/O エマルションが広く使用されています。親水性を高めるために、官能化可能なコポリマー（塩化ビニルベンジルなど）がエマルション中の非官能化可能なモノマー（スチレンなど）に添加されます。液滴サイズを調整することで、階層的な多孔質材料相互につながった気孔率と連続した気孔径を得ることができます。

6. ゼオライトの合成方法

ゼオライト合成戦略を他の合成戦略と組み合わせると、どのようにして階層的な多孔質材料を生成できるのでしょうか?ゼオライト合成中の相分離制御に基づく過成長戦略を使用して、階層的なコア/シェル構造を備えたバイミクロポーラスゼオライトを得ることができます。ゼオライトは 3 つのタイプに分類できます。最初のタイプは、同形コア (ZSM-5/シリカライト-1 など) による過成長を伴い、コア結晶が構造指向剤として機能します。 2 番目のタイプは、ゼオライト LTA/FAU タイプなどのエピタキシャル成長で、同じビルディング ユニットを異なる空間配置で使用します。この方法では、ゼオライト層が選択的に過剰成長するため、特定の結晶面にのみコーティングを行うことができます。 3 番目のタイプは、FAU/MAZ、BEA/MFI、MFI/AFI タイプなどのさまざまなゼオライト上での過成長です。これらのゼオライトは完全に異なるゼオライト構造で構成されているため、明確な化学的および構造的特徴を持っています。

7. コロイド結晶テンプレート法

他の方法と比較して、コロイド結晶テンプレート法はどのようにして、より広いサイズ範囲にわたって規則的で周期的な細孔構造を備えた材料を製造できるのでしょうか?この方法を使用して生成された空隙率は、ハード テンプレートとして使用される均一なコロイド粒子の周期的配列の直接のレプリカであるため、他のテンプレート方法と比較して階層的なサイズ レベルを構築することが容易になります。コロイド結晶テンプレートを使用すると、集合したコロイド空隙を超えて追加の多孔性を得ることができます。

コロイド結晶テンプレートの形成、前駆体の浸透、テンプレートの除去など、コロイド結晶テンプレートの基本的な手順を示します。一般に、サーフェス テンプレート構造とボリューム テンプレート構造の両方を生成できます。表面テンプレート機能によって生成された三次元規則マクロ多孔質 (3DOM) 構造は、相互接続された「バルーン」と支柱状のネットワークを備えています。

8. バイオテンプレート法

階層構造はどのようになっているのか多孔質材料天然素材や自発的な組み立てプロセスを直接複製する生体模倣戦略を通じて製造されていますか?どちらの方法も、生物からインスピレーションを得たプロセスとして定義できます。

階層的多孔質構造を持つ多種多様な天然素材は、低コストで環境に優しいため、バイオテンプレートとして直接使用できます。これらの材料の中には、細菌の糸、珪藻の欠片、卵殻膜、昆虫の羽、花粉粒、植物の葉、木材セルロース、タンパク質凝集体、クモの糸、珪藻、およびその他の生物体が報告されています。

9. ポリマーテンプレート法

マクロ細孔を備えたポリマー構造は、階層的多孔質材料を製造するためのテンプレートとしてどのように使用できるのでしょうか?マクロ多孔質ポリマーは足場として機能し、その周囲または内部で化学反応やナノ粒子の浸透が起こり、材料の形態を導きます。ポリマーが除去された後、材料は元のテンプレートの構造的特徴を保持します。

10. 超臨界流体法

揮発性有機溶媒を必要とせずに、水と二酸化炭素のみを使用して、明確な多孔質構造を備えた材料をどのように合成し、幅広い応用の可能性をもたらすことができるのでしょうか?二酸化炭素は減圧すると気体状態に戻るため、液滴相の除去は簡単です。気体でも液体でもない超臨界流体は、低密度から高密度まで徐々に圧縮することができます。したがって、超臨界流体は、化学プロセスにおける調整可能な溶媒および反応媒体として重要です。超臨界流体技術は、階層的な多孔質材料を合成および加工するための重要な方法です。

セミコレックスは高品質を提供しますグラファイトソリューション半導体プロセス用。ご質問がある場合、または詳細が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

連絡先電話番号 +86-13567891907

電子メール: sales@semicorex.com