Materiali gerarchici di carbonio poroso: sintesi e introduzione

Gerarchicomateriali porosi, che possiedono strutture porose multilivello - macropori (diametro > 50 nm), mesopori (2-50 nm) e micropori (<2 nm) - mostrano aree superficiali specifiche elevate, rapporti volumetrici elevati, permeabilità migliorata e caratteristiche di basso trasferimento di massa e notevoli capacità di stoccaggio. Questi attributi hanno portato alla loro diffusa adozione in vari campi, tra cui catalisi, adsorbimento, separazione, energia e scienze della vita, dimostrando prestazioni superiori rispetto ai materiali porosi più semplici.

Traendo ispirazione dalla natura

Molti progetti di materiali porosi gerarchici si ispirano a strutture naturali. Questi materiali possono migliorare il trasferimento di massa, consentire la permeazione selettiva, creare ambienti idrofili-idrofobici significativi e modulare le proprietà ottiche dei materiali.

Strategie per la sintesi gerarchicaMateriali porosi

1. Metodo di modellazione del tensioattivo

Come possiamo utilizzare i tensioattivi per formare materiali mesoporosi gerarchici? L'utilizzo di due tensioattivi di diverse dimensioni molecolari come modelli è una strategia semplice. Aggregati molecolari autoassemblati di tensioattivi o complessi supramolecolari sono stati utilizzati come agenti di direzione della struttura per la costruzione di strutture porose. Controllando attentamente la separazione di fase, è possibile sintetizzare strutture gerarchiche dei pori utilizzando il modello a doppio tensioattivo.

Nelle soluzioni acquose di tensioattivi diluiti, la riduzione del contatto della catena di idrocarburi con l'acqua diminuisce l'energia libera del sistema. L'idrofilicità dei gruppi terminali del tensioattivo determina il tipo, la dimensione e altre caratteristiche degli aggregati formati da molte molecole di tensioattivo. La CMC delle soluzioni acquose di tensioattivo è correlata alla struttura chimica del tensioattivo, della temperatura e/o dei cosolventi utilizzati nel sistema.

I gel di silice mesoporosa bimodale vengono preparati utilizzando soluzioni contenenti copolimeri a blocchi (KLE, SE o F127) e tensioattivi più piccoli (IL, CTAB o P123).

2. Metodo di replica

Qual è l'approccio classico alla sintesimateriali porosi in carbonio? La procedura generale di replicazione del modello per il carbonio poroso prevede la preparazione di un composito precursore del carbonio/modello inorganico, la carbonizzazione e la successiva rimozione del modello inorganico. Questo metodo può essere diviso in due categorie. La prima categoria prevede l’inclusione di modelli inorganici all’interno del precursore del carbonio, come le nanoparticelle di silice. Dopo la carbonizzazione e la rimozione dello stampo, i materiali di carbonio porosi risultanti presentano pori isolati inizialmente occupati dalle specie stampo. Il secondo metodo introduce il precursore del carbonio nei pori dello stampo. I materiali di carbonio porosi generati dopo la carbonizzazione e la rimozione del modello possiedono strutture di pori interconnesse.

3. Metodo Sol-Gel

Come viene utilizzato il metodo sol-gel per sintetizzare materiali porosi gerarchici? Inizia con la formazione di una sospensione di particelle colloidali (sol), seguita dalla formazione di un gel composto da particelle di sol aggregate. Il trattamento termico del gel produce il materiale e la morfologia desiderati, come polveri, fibre, pellicole e monoliti. I precursori sono tipicamente composti metallo-organici, come alcossidi, alcossidi chelati o sali metallici come cloruri, solfati e nitrati metallici. L'idrolisi iniziale degli alcossidi o la deprotonazione di molecole d'acqua coordinate porta alla formazione di gruppi idrossilici reattivi, che poi subiscono processi di condensazione per formare oligomeri ramificati, polimeri, nuclei con uno scheletro di ossido metallico e gruppi idrossilici e alcossidici residui reattivi.

4. Metodo post-trattamento

Quali metodi di post-trattamento vengono utilizzati per preparare materiali porosi gerarchici introducendo pori secondari? Questi metodi generalmente rientrano in tre categorie. La prima categoria prevede innesti aggiuntivimateriali porosisul materiale poroso originale. Il secondo prevede l'attacco chimico o la lisciviazione del materiale poroso originale per ottenere pori aggiuntivi. Il terzo prevede l'assemblaggio o la disposizione di precursori di materiali porosi (solitamente nanoparticelle) utilizzando metodi chimici o fisici (come la deposizione multistrato e la stampa a getto d'inchiostro) per creare nuovi pori. I vantaggi significativi del post-trattamento sono: (i) la capacità di progettare varie funzionalità per soddisfare esigenze diverse; (ii) la capacità di ottenere una varietà di strutture per progettare modelli e morfologie organizzate; (iii) la capacità di combinare vari tipi di pori per espandere le applicazioni desiderate.

5. Metodo di modellazione dell'emulsione

In che modo la regolazione della fase oleosa o della fase acquosa in un'emulsione può formare strutture gerarchiche con dimensioni dei pori che vanno dai nanometri ai micrometri? I precursori si solidificano attorno alle goccioline e quindi i solventi vengono rimossi attraverso l'evaporazione, dando luogo a materiali porosi. Nella maggior parte dei casi, l'acqua è uno dei solventi. Le emulsioni possono essere formate disperdendo goccioline d'acqua nella fase oleosa, note come "emulsioni acqua in olio (W/O)" o disperdendo goccioline d'olio in acqua, note come "emulsioni olio in acqua (O/W)" emulsioni."

Per produrre polimeri porosi con superfici idrofile, le emulsioni A/O sono ampiamente utilizzate per regolare le loro strutture porose idrofobiche. Per migliorare l'idrofilicità, copolimeri funzionalizzabili (come cloruro di vinil benzile) vengono aggiunti a monomeri non funzionalizzabili (come stirene) nell'emulsione. Regolando le dimensioni delle goccioline, gerarchicomateriali porosicon porosità interconnesse e diametri dei pori continui.

6. Metodo di sintesi della zeolite

In che modo le strategie di sintesi della zeolite, combinate con altre strategie di sintesi, possono generare materiali porosi gerarchici? Le strategie di crescita eccessiva basate sul controllo della separazione di fase durante la sintesi della zeolite possono essere utilizzate per ottenere zeoliti bi-microporose con strutture gerarchiche core/shell, che possono essere suddivise in tre tipi. Il primo tipo prevede la crescita eccessiva attraverso nuclei isomorfi (come ZSM-5/silicalite-1), dove i cristalli del nucleo agiscono come agenti di direzione della struttura. Il secondo tipo è la crescita epitassiale, come i tipi zeolite LTA/FAU, che coinvolge le stesse unità edilizie con diverse disposizioni spaziali. In questo metodo, a causa della crescita eccessiva selettiva degli strati di zeolite, il rivestimento può essere eseguito solo su alcune specifiche facce del cristallo. Il terzo tipo è la crescita eccessiva su diverse zeoliti, come i tipi FAU/MAZ, BEA/MFI e MFI/AFI. Queste zeoliti sono composte interamente da diverse strutture zeolitiche, possedendo quindi caratteristiche chimiche e strutturali distinte.

7. Metodo di modellazione dei cristalli colloidali

In che modo il metodo di modellazione dei cristalli colloidali, rispetto ad altri metodi, produce materiali con strutture dei pori ordinate e periodiche su un intervallo di dimensioni più ampio? La porosità generata utilizzando questo metodo è una replica diretta della serie periodica di particelle colloidali uniformi utilizzate come modelli rigidi, rendendo più semplice la costruzione di livelli di dimensioni gerarchiche rispetto ad altri metodi di modello. L'utilizzo di modelli di cristalli colloidali può produrre una porosità aggiuntiva oltre i vuoti colloidali assemblati.

Vengono illustrati i passaggi fondamentali della modellazione dei cristalli colloidali, inclusa la formazione di modelli di cristalli colloidali, l'infiltrazione del precursore e la rimozione del modello. In generale, è possibile generare strutture modello sia di superficie che di volume. Le strutture macroporose ordinate tridimensionali (3DOM) generate attraverso la modellazione della superficie presentano reti "palloncini" e simili a montanti interconnessi.

8. Metodo di bio-template

Come sono gerarchicimateriali porosifabbricati attraverso strategie biomimetiche che replicano direttamente materiali naturali o processi di assemblaggio spontaneo? Entrambi i metodi possono essere definiti come processi bio-ispirati.

Un'ampia varietà di materiali naturali con strutture porose gerarchiche possono essere utilizzati direttamente come bio-modelli grazie al loro basso costo e al rispetto dell'ambiente. Tra questi materiali sono stati segnalati fili batterici, frustoli di diatomee, membrane di gusci d'uovo, ali di insetti, granelli di polline, foglie di piante, cellulosa di legno, aggregati proteici, seta di ragno, diatomee e altri organismi.

9. Metodo di modellazione dei polimeri

In che modo le strutture polimeriche con macropori possono essere utilizzate come modelli per la produzione di materiali porosi gerarchici? I polimeri macroporosi possono fungere da impalcatura, con reazioni chimiche o infiltrazione di nanoparticelle che si verificano attorno o al loro interno, guidando la morfologia del materiale. Dopo la rimozione del polimero, il materiale conserva le caratteristiche strutturali della dima originale.

10. Metodo del fluido supercritico

Come è possibile sintetizzare materiali con strutture porose ben definite utilizzando solo acqua e anidride carbonica, senza la necessità di solventi organici volatili, offrendo così ampie prospettive applicative? La rimozione della fase gocciolina è semplice perché l'anidride carbonica ritorna allo stato gassoso dopo la depressurizzazione. I fluidi supercritici, che non sono né gas né liquidi, possono essere gradualmente compressi da densità basse ad alte. Pertanto, i fluidi supercritici sono cruciali come solventi sintonizzabili e mezzi di reazione nei processi chimici. La tecnologia dei fluidi supercritici è un metodo importante per la sintesi e l'elaborazione di materiali porosi gerarchici.

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