Materiales de carbono porosos jerárquicos: síntesis e introducción

Jerárquicomateriales porosos, que poseen estructuras de poros de múltiples niveles (macroporos (diámetro > 50 nm), mesoporos (2-50 nm) y microporos (<2 nm), exhiben altas áreas de superficie específicas, altas proporciones de volumen de poro, permeabilidad mejorada y características de baja transferencia de masa. y capacidades de almacenamiento sustanciales. Estos atributos han llevado a su adopción generalizada en varios campos, incluida la catálisis, la adsorción, la separación, la energía y las ciencias biológicas, mostrando un rendimiento superior a los materiales porosos más simples.

Inspirándose en la naturaleza

Muchos diseños de materiales porosos jerárquicos se inspiran en estructuras naturales. Estos materiales pueden mejorar la transferencia de masa, permitir la permeación selectiva, crear importantes entornos hidrófilos-hidrófobos y modular las propiedades ópticas de los materiales.

Estrategias para sintetizar jerarquíasMateriales porosos

1. Método de plantilla de surfactante

¿Cómo podemos utilizar tensioactivos para formar materiales mesoporosos jerárquicos? Emplear dos tensioactivos de diferentes tamaños moleculares como plantillas es una estrategia sencilla. Se han utilizado agregados moleculares autoensamblados o conjuntos supramoleculares de tensioactivos como agentes directores de estructura para construir estructuras porosas. Al controlar cuidadosamente la separación de fases, se pueden sintetizar estructuras de poros jerárquicas utilizando plantillas de tensioactivos duales.

En soluciones acuosas de tensioactivos diluidos, la reducción del contacto de la cadena de hidrocarburos con el agua disminuye la energía libre del sistema. La hidrofilicidad de los grupos terminales del surfactante determina el tipo, tamaño y otras características de los agregados formados por muchas moléculas de surfactante. La CMC de las soluciones acuosas de tensioactivos está relacionada con la estructura química del tensioactivo, la temperatura y/o los codisolventes utilizados en el sistema.

Los geles de sílice mesoporosos bimodales se preparan utilizando soluciones que contienen copolímeros de bloque (KLE, SE o F127) y tensioactivos más pequeños (IL, CTAB o P123).

2. Método de replicación

¿Cuál es el enfoque clásico para sintetizar?materiales de carbono porosos? El procedimiento general de replicación de plantilla para carbono poroso implica la preparación de un compuesto precursor de carbono/plantilla inorgánica, la carbonización y la posterior eliminación de la plantilla inorgánica. Este método se puede dividir en dos categorías. La primera categoría implica incorporar plantillas inorgánicas dentro del precursor de carbono, como nanopartículas de sílice. Después de la carbonización y la eliminación de la plantilla, los materiales de carbono porosos resultantes tienen poros aislados inicialmente ocupados por las especies de plantilla. El segundo método introduce el precursor de carbono en los poros de la plantilla. Los materiales de carbono porosos generados después de la carbonización y la eliminación de la plantilla poseen estructuras porosas interconectadas.

3. Método Sol-Gel

¿Cómo se utiliza el método sol-gel para sintetizar materiales porosos jerárquicos? Comienza con la formación de una suspensión de partículas coloidales (sol), seguida de la formación de un gel compuesto de partículas de sol agregadas. El tratamiento térmico del gel produce el material y la morfología deseados, como polvos, fibras, películas y monolitos. Los precursores son típicamente compuestos organometálicos, tales como alcóxidos, alcóxidos quelados o sales metálicas como cloruros, sulfatos y nitratos metálicos. La hidrólisis inicial de alcóxidos o la desprotonación de moléculas de agua coordinadas conduce a la formación de grupos hidroxilo reactivos, que luego se someten a procesos de condensación para formar oligómeros ramificados, polímeros, núcleos con un esqueleto de óxido metálico y grupos hidroxilo y alcóxido residuales reactivos.

4. Método de postratamiento

¿Qué métodos de postratamiento se utilizan para preparar materiales porosos jerárquicos mediante la introducción de poros secundarios? Estos métodos generalmente se dividen en tres categorías. La primera categoría implica el injerto adicional.materiales porosossobre el material poroso original. El segundo implica grabado químico o lixiviación del material poroso original para obtener poros adicionales. El tercero implica ensamblar o disponer precursores de materiales porosos (normalmente nanopartículas) utilizando métodos químicos o físicos (como la deposición multicapa y la impresión por inyección de tinta) para crear nuevos poros. Las ventajas significativas del postratamiento son: (i) la capacidad de diseñar varias funcionalidades para cumplir con diferentes requisitos; (ii) la capacidad de obtener una variedad de estructuras para diseñar patrones y morfologías organizados; (iii) la capacidad de combinar varios tipos de poros para ampliar las aplicaciones deseadas.

5. Método de creación de plantillas en emulsión

¿Cómo puede el ajuste de la fase oleosa o acuosa en una emulsión formar estructuras jerárquicas con tamaños de poro que van desde nanómetros hasta micrómetros? Los precursores se solidifican alrededor de las gotas y luego los disolventes se eliminan mediante evaporación, lo que da como resultado materiales porosos. En la mayoría de los casos, el agua es uno de los disolventes. Las emulsiones se pueden formar dispersando gotas de agua en la fase oleosa, conocidas como "emulsiones de agua en aceite (W/O)", o dispersando gotas de aceite en agua, conocidas como "emulsiones de aceite en agua (O/W). emulsiones."

Para fabricar polímeros porosos con superficies hidrófilas, se utilizan ampliamente emulsiones W/O para ajustar sus estructuras porosas hidrófobas. Para mejorar la hidrofilia, se añaden copolímeros funcionalizables (como el cloruro de vinil bencilo) a monómeros no funcionalizables (como el estireno) en la emulsión. Al ajustar el tamaño de las gotas, jerárquicomateriales porososcon porosidades interconectadas y diámetros de poro continuos.

6. Método de síntesis de zeolita

¿Cómo pueden las estrategias de síntesis de zeolita, combinadas con otras estrategias de síntesis, generar materiales porosos jerárquicos? Se pueden utilizar estrategias de sobrecrecimiento basadas en el control de la separación de fases durante la síntesis de zeolitas para obtener zeolitas bimicroporosas con estructuras jerárquicas de núcleo/cubierta, que se pueden dividir en tres tipos. El primer tipo implica un crecimiento excesivo a través de núcleos isomorfos (como ZSM-5/silicalita-1), donde los cristales centrales actúan como agentes directores de estructura. El segundo tipo es el crecimiento epitaxial, como los tipos de zeolita LTA/FAU, que involucran las mismas unidades de construcción con diferentes disposiciones espaciales. En este método, debido al crecimiento excesivo selectivo de las capas de zeolita, el recubrimiento sólo se puede realizar en ciertas caras específicas del cristal. El tercer tipo es el crecimiento excesivo de diferentes zeolitas, como los tipos FAU/MAZ, BEA/MFI y MFI/AFI. Estas zeolitas están compuestas enteramente de diferentes estructuras de zeolita, por lo que poseen características químicas y estructurales distintas.

7. Método de plantilla de cristal coloidal

¿Cómo el método de plantilla de cristal coloidal, en comparación con otros métodos, fabrica materiales con estructuras de poros periódicas ordenadas en un rango de tamaño mayor? La porosidad generada con este método es una réplica directa de la matriz periódica de partículas coloidales uniformes utilizadas como plantillas duras, lo que facilita la construcción de niveles de tamaño jerárquicos en comparación con otros métodos de creación de plantillas. El uso de plantillas de cristal coloidal puede producir porosidad adicional más allá de los huecos coloidales ensamblados.

Se ilustran los pasos básicos de la creación de plantillas de cristales coloidales, incluida la formación de plantillas de cristales coloidales, la infiltración de precursores y la eliminación de plantillas. Generalmente, se pueden generar estructuras de plantilla tanto de superficie como de volumen. Las estructuras macroporosas ordenadas tridimensionales (3DOM) generadas a través de plantillas de superficie presentan redes interconectadas en forma de "globos" y puntales.

8. Método de bioplantilla

¿Cómo son jerárquicos?materiales porosos¿Fabricados mediante estrategias biomiméticas que replican directamente materiales naturales o procesos de ensamblaje espontáneos? Ambos métodos pueden definirse como procesos bioinspirados.

Una amplia variedad de materiales naturales con estructuras porosas jerárquicas se pueden utilizar directamente como bioplantillas debido a su bajo costo y respeto al medio ambiente. Entre estos materiales, se han reportado hilos bacterianos, frústulos de diatomeas, membranas de cáscara de huevo, alas de insectos, granos de polen, hojas de plantas, celulosa de madera, agregados de proteínas, seda de araña, diatomeas y otros organismos.

9. Método de plantilla de polímero

¿Cómo se pueden utilizar estructuras poliméricas con macroporos como plantillas para fabricar materiales porosos jerárquicos? Los polímeros macroporosos pueden actuar como andamios, con reacciones químicas o infiltración de nanopartículas alrededor o dentro de ellos, guiando la morfología del material. Una vez eliminado el polímero, el material conserva las características estructurales de la plantilla original.

10. Método de fluido supercrítico

¿Cómo se pueden sintetizar materiales con estructuras porosas bien definidas utilizando únicamente agua y dióxido de carbono, sin necesidad de disolventes orgánicos volátiles, ofreciendo así amplias perspectivas de aplicación? La eliminación de la fase de gotitas es sencilla porque el dióxido de carbono vuelve a un estado gaseoso tras la despresurización. Los fluidos supercríticos, que no son ni gases ni líquidos, se pueden comprimir gradualmente desde densidades bajas a altas. Por lo tanto, los fluidos supercríticos son cruciales como disolventes sintonizables y medios de reacción en procesos químicos. La tecnología de fluidos supercríticos es un método importante para sintetizar y procesar materiales porosos jerárquicos.

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