14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 1

UPAC dzieli pory na mikropory (<2 nm), mezopory lub mezopory (2 do 50 nm), makropory (> 50 nm) zgodnie ze skalą wielkości porów; zgodnie z najnowszą definicją pory dzieli się na mikropory (<0,7 nm) i mikropole (0,7-2 nm), podczas gdy studzienki poniżej 100 nm są łącznie nazywane nanoporami. Więc skąd pochodzą nazwy tych materiałów dziur?

Seria MCM

MCM to skrót od Mobil Composition of Matter. Głównie przez badaczy Mobil Oil, wykorzystujących krzemian etylu jako źródło krzemu, zsyntetyzowanych metodą miękkiej matrycy na bazie miceli. MCM Muszkieterami są MCM-41, MCM-48 i MCM-50. MCM-41 jest heksagonalną mezoporowatą strukturą, układem regularnych cylindrycznych mezoporów wykonanych z jednowymiarowej struktury porów. Średnica mezoporów regulowana w zakresie 2-6,5 nm, duża powierzchnia właściwa. W porównaniu z sitami molekularnymi w MCM-41 nie ma miejsc kwasowych Bronsteda. Ze względu na cienką ściankę i niski kurs wymiany jednostek krzemu wiązania Si-O hydrolizują i ponownie sieciują we wrzącej wodzie, powodując uszkodzenia strukturalne. Dlatego stabilność termiczna nie jest dobra. Najwcześniejsze artykuły na temat syntezy MCM-41 zostały opublikowane w JAC w 1992 r., A cytowania mają obecnie prawie 12 000 cytowań. (J. Am. Chem. Soc., 1992, 114 (27), str. 10834-10843.) MCM-48 ma trójwymiarowo połączoną strukturę komórkową. MCM-50 jest strukturą blaszkowatą i można ją nazwać raczej „mezostrukturą” niż „mezoporowatą”, ponieważ struktura blaszkowata zapada się po usunięciu warstwy tworzącej środek powierzchniowo czynny, a ponieważ nie ma porów, nie jest to Głębokie. 

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 2
Rycina 1 Schemat mechanizmu syntezy MCM-41, stosowany środek powierzchniowo czynny jest anionowym środkiem powierzchniowo czynnym

Seria SBA

SBA to skrót od Santa Barbara Amorphous. Wśród nich duża nazwa to SBA-15. SBA-15 został po raz pierwszy zsyntetyzowany przez Zhao Dongyuan, nauczyciela na Fudan University w 1998 r. Po ukończeniu studiów podyplomowych w Santa Barbara, University of California, USA. Został opublikowany w Science w tym samym roku i był cytowany ponad 10 000 razy ( Science 23 stycznia 1998: 279, 5350, 548-552.). Serie SBA mezoporowatych materiałów krzemionkowych syntetyzuje się metodą miękkiej matrycy, stosując surfaktant typu blokowego; jego wielkość porów jest regulowana w zakresie 5-30 nm. SBA-15 składa się z szeregu sześciokątnych równoległych cylindrycznych kanałów z kilkoma mezoporami lub porami ułożonymi w losowej kolejności o grubości ściany komórkowej 3-6 nm. Ze względu na grubsze ściany komórkowe SBA-15 stabilność hydrotermalna materiału jest lepsza niż w przypadku serii MCM. SBA-15 to wielowymiarowy porowaty materiał, który zawiera oba mezoporowate materiały. Może usuwać środek powierzchniowo czynny osadzony w ścianach porów podczas procesu kalcynacji, co powoduje powstanie mikroporowatej struktury.

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 3
Ryc. 2 (po lewej) Obraz TEM SBA-15 o różnych rozmiarach porów. Hydrofobowy koniec (prawego) trójblokowego środka powierzchniowo czynnego wejdzie w ścianki porów utworzonej krzemionki. Po kalcynacji mikropory

Seria HMM

HMM to skrót od Hiropima Mesoporous Material i został po raz pierwszy opracowany przez naukowców z Hiroshima University w 2009 roku. HMM jest sferycznym mezoporowatym materiałem krzemowym o wielkości porów 4-15 nm i regulowanej średnicy zewnętrznej 20-80 nm. W etapie syntezy autorzy najpierw tworzą kropelki emulsji przez zmieszany roztwór olej / woda / środek powierzchniowo czynny, a następnie hodują krzem z wytworzonymi in situ cząstkami polistyrenu jako matrycą, co daje kulistą mezoporowatą krzemionkę po usunięciu matrycy. (Mikroporowate i mezoporowate materiały 120 (2009) 447-453.)

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 4
Rycina 3 Schemat mechanizmu syntezy HMM oraz obrazy SEM i TEM produktu

Seria TUD

TUD oznacza Technische Universiteit Delft, znany również jako Delft University of Technology. Na mikrografie elektronowym TUD-1 pojawia się jako piana o polu powierzchni 400-1000 m2 / g i przestrajalnym mezoporze między 2,5 a 25 nm. W syntezie materiałów nie ma środka powierzchniowo czynnego, a trietyloamina jest stosowana jako organiczny środek matrycowy. Strukturę porów można kontrolować przez dostosowanie stosunku organicznego środka matrycy i źródła krzemu. (Chem. Commun., 2001, 713-714)

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 5
Rycina 4 (po lewej) Obraz SEM TDU-1, (po prawej) Mezoporowaty materiał węglowy zsyntetyzowany z TDU-1 jako twardy szablon

Seria FSM

FSM to skrót od Folded Sheets Mesoporous Materials. Dosłowne tłumaczenie jego nazwy to składany arkusz mezoporowaty materiał. Synteza FSM to synteza warstwowego materiału krzemianowego Kanemit i długołańcuchowego alkilotrimetyloaminy (ATMA) w warunkach alkalicznych zachodzi mieszana obróbka jonowa w celu uzyskania wąskiego rozkładu wielkości porów trójwymiarowego heksagonalnego mezoporowatego materiału krzemionkowego. FSC ma powierzchnię właściwą 650-1000 m2 / gi wielkość porów 1,5-3 nm. (Bull. Chem. Soc. Jpn., 69, nr 5 (1996))

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 6
Rysunek 5 Wykres TEM FSM

Seria KIT

KIT nie znalazł bardzo oficjalnego oświadczenia, najprawdopodobniej skrótu Korea Advanced Institute of Science and Technology. Należy również do uporządkowanego mezoporowatego materiału krzemionkowego, innego niż jednokierunkowa struktura porów SBA-15 (sześcienna p6mm), KIT-6 (sześcienna la3d) ma wzajemnie połączoną sześcienną mezoporowatą strukturę. W syntezie KIT-6 jako środek kierujący strukturą zastosowano trójblokowy środek powierzchniowo czynny (EO20PO70EO20) i butanol. Rozmiar porów KIT-6 regulowany w zakresie 4–12 nm, powierzchnia właściwa 960–2200 m2 g-1. (Chem. Commun., 2003, 2136-2137)

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 7
Rysunek 6 (po lewej) Schemat struktury SBA-15 p6mm i KIT-6 la3d, (po prawej) Obraz TEM KIT-6

Seria CMK

Powszechną metodą syntezy mezoporowatego węgla jest metoda twardego szablonu. Mezoporowate sita molekularne, takie jak MCM-48 i SBA-15, stosuje się jako matrycę do wyboru odpowiednich prekursorów, zwęglania prekursorów w wyniku katalizy kwasu i osadzania się na porach mezoporowatych materiałów Road, a następnie rozpuszczania w mezoporowatym SiO2 NaOH lub HF, aby uzyskać mezoporowaty węgiel. W 1999 r. Ryoo udało się powielić inne mezoporowate materiały, używając mezoporowatych materiałów jako twardych szablonów. Ta seria materiałów o nazwie CMK. Nie znalazłem też oficjalnej nazwy, ale najprawdopodobniej połączone sita molekularne z węgla i Korea. Sukcesywnie produkował CMK-1, CMK-2, CMK-3, CMK-8 i CMK-9 mezoporowate węglowe sita molekularne, wykorzystując MCM-48, SBA-1, SBA-15 i KIT-6 jako szablony. (J. Phys. Chem. B, 103, 37, 1999.) CMK-3 jest dwuwymiarową heksagonalną strukturą z wąskim rozkładem wielkości porów, dużym polem powierzchni właściwej (1000-2000 m2 / g), dużą objętością porów 1,35 cm3 / g) i silna odporność na kwasy i zasady, jest dobrym nośnikiem katalizatora.

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 8
Ryc. 7 Obraz TEM CMK-1 i CMK-3

Seria FDU

Seria FDU jest skrótem od Fudan University i jest to praca wykonana przez nauczyciela Zhao Dongyuan po powrocie na Uniwersytet Fudan. FDU to seria żywic fenolowych syntetyzowanych metodą miękkiego szablonu. Uporządkowane mezoporowate materiały węglowe można syntetyzować przez karbonizację w wysokiej temperaturze i składają się one z kulistych porów. To samo dotyczy zastosowania środka powierzchniowo czynnego jako środka kierującego strukturą, zastosowania prekursorów żywicy fenolowej jako surowców, metodą samoorganizacji przez odparowanie rozpuszczalnika w celu uzyskania uporządkowanej struktury. (Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7053-7045)

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 9
Ryc. 8 FDU-15 i FDU-16 po karbonizacji w wysokiej temperaturze Węgiel

Seria STARBON

Starbon to nazwa mezoporowatego materiału węglowego. Ponieważ oryginalny Starbon został zsyntetyzowany przez naukowców z University of York metodą zol-żel Starch, a następnie zwęglony. Dlatego nazywa się Starbon i zarejestrował markę „Starbon”. Objętość mezoporów Starbon 2,0 cm3 / g, powierzchnia właściwa 500 m2 / g, może być stosowana jako nośnik katalizatora, adsorpcja gazu lub środek do oczyszczania wody. Teraz surowce Starbon można rozszerzyć na pektynę i kwas alginowy.

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 10
Ryc. 9 (po lewej) Etap syntezy Starbona, (po prawej) obraz SEM Starbona

Seria ZSM

ZSM to skrót od Zeolite Socony Mobil, a ZSM-5 to nazwa handlowa, która jest piątym zeolitem znalezionym przez Socony Mobil Corporation. Natura zsyntetyzowana w 1975 r. Zgłosiła swoją strukturę w 1978 r. ZSM-5 jest systemem rombowym. Jest to rodzaj zeolitowego sita molekularnego z trójwymiarowymi kanałami krzyżowymi z wysoką zawartością krzemu i pięcioczłonowymi pierścieniami. Jest oleofilowy i hydrofobowy, ma wysoką stabilność termiczną i hydrotermalną, a większość porów ma średnicę około 0,55 nm Zeolit.

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 11
Rycina 10 Zsyntetyzowany ZABM-5 TPABr

Seria AlPO

AlPO to skrót od bezkwasowego mikroporowatego glinofosforanowego sita molekularnego, które jest „sitem molekularnym drugiej generacji” opracowanym przez UOP Company w Stanach Zjednoczonych od lat osiemdziesiątych. Te szkielety sit molekularnych składają się z równej ilości czworościanów AlO4 i PO4 i są elektrycznie obojętne i wykazują słabsze właściwości katalizujące kwas. Wraz z wprowadzeniem heteroatomów pierwotny bilans ładunku szkieletu zeolitowego AlPO może zostać rozbity, dzięki czemu jego kwasowość, wydajność adsorpcji i aktywność katalityczna uległy znacznej poprawie. Struktura zrębowa AlPO4-5 należy do układu heksagonalnego, z typowym 12-członowym głównym kanałem pierścieniowym o wielkości porów 0,76 nm, co jest porównywalne z aromatem.

Seria SAPO

SAPO to skrót od krzemoglinofosforanu, SAPO-34 to sito molekularne po raz pierwszy zgłoszone przez UCC w 1982 roku, a 34 to kod. Szkielet SAPO-34 składa się z PO2 +, SiO2, AlO2- i ma trójwymiarowe kanały poprzeczne, średnicę porów ośmiopierścieniowych i umiarkowane miejsca kwasowe. Oprócz separacji adsorpcyjnej i separacji membranowej wykazano doskonałą wydajność. Skład SAPO-11 to cztery rodzaje Si, P, Al i O, jego skład można zmieniać w szerokim zakresie, zawartość krzemu w produkcie zmienia się w zależności od warunków syntezy. Mezoporowaty zeolit SAPO-11, o jednowymiarowej strukturze dziesięciopierścieniowej, w owalny otwór. Sito molekularne sita molekularnego SAPO jest naładowane ujemnie, a zatem ma wymienialne kationy i kwasowość protonową. Sito molekularne SAPO może być stosowane jako adsorbent, katalizator i nośnik katalizatora.

14 Typowe rodzaje materiałów porowatych 12
Ryc. 11 Obraz SEM SAPO-11 z czasem krystalizacji 48h


Istnieje kilka innych materiałów porowatych, które nie są powszechnie używane:
MSU  (Michigan State University) to seria mezoporowatych sit molekularnych opracowana przez Pinnavaia i in. University of Michigan. MSU-X (MSU-1, MSU-2 i MSU-3). MSU-V, MSU-G mają warstwową strukturę pęcherzyków wielowarstwowych.

HMS

(Heksagonalna mezoporowata krzemionka) to mezoporowate sito molekularne opracowane przez Pinnavaia i in., Które jest również strukturą heksagonalną o niskim stopniu uporządkowania.

APM

(mezostruktury wytworzone kwasem), wczesne badania Stucky i wsp., zostały przygotowane w warunkach kwaśnych i stanowiły rozszerzenie serii procesów syntetycznych MCM (media alkaliczne).
Nie tylko nazwa jest bardzo wyjątkowa, zastosowanie porowatych materiałów jest również bardzo szerokie, są to:

1. Wydajna membrana do separacji gazów;

2. Membrana katalityczna procesu chemicznego;

3. materiały podłoża do szybkich systemów elektronicznych;

4. prekursory materiałów do komunikacji optycznej;

5. wysoce wydajne materiały termoizolacyjne;

6. porowate elektrody do ogniw paliwowych;

7. media rozdzielające i elektrody do akumulatorów;

8. paliwa (w tym gaz ziemny i wodór) czynnika magazynującego;

9. Wybór absorbentu środowiskowego;

10. Specjalny filtr wielokrotnego użytku. Aplikacje te będą miały ogromny wpływ na zastosowania przemysłowe i codzienne życie ludzi.


Bibliografia:1. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114 (27), str. 10834-10843.2. Science 23 stycznia 1998: 279, 5350, 548-552.3. Mikroporowate i mezoporowate materiały 120 (2009) 447-453.4. Chem. Commun., 2001, 713–714,5. Byk. Chem. Soc. Jpn., 69, nr 5 (1996) 6. J. Chem. Soc., Chem. Commun 1993, 8, 680,7. Chem. Commun., 2003, 2136-2137.8. J. Phys. Chem. B, 103, 37, 1999.9. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7053–7059.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

pl_PLPolski