श्रेणीबद्ध झरझरा कार्बन सामग्री: संश्लेषण और परिचय

श्रेणीबद्धझरझरा सामग्री, बहु-स्तरीय छिद्र संरचनाएं - मैक्रोपोर (व्यास> 50 एनएम), मेसोपोर (2-50 एनएम), और माइक्रोपोर (<2 एनएम) - उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्रों, उच्च छिद्र मात्रा अनुपात, बढ़ी हुई पारगम्यता, कम द्रव्यमान स्थानांतरण विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं। , और पर्याप्त भंडारण क्षमता। इन विशेषताओं के कारण उत्प्रेरण, सोखना, पृथक्करण, ऊर्जा और जीवन विज्ञान सहित विभिन्न क्षेत्रों में इन्हें व्यापक रूप से अपनाया गया है, जो सरल झरझरा सामग्रियों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदर्शित करता है।

प्रकृति से प्रेरणा लेना

पदानुक्रमित झरझरा सामग्रियों के कई डिज़ाइन प्राकृतिक संरचनाओं से प्रेरित हैं। ये सामग्रियां बड़े पैमाने पर स्थानांतरण को बढ़ा सकती हैं, चयनात्मक पारगमन को सक्षम कर सकती हैं, महत्वपूर्ण हाइड्रोफिलिक-हाइड्रोफोबिक वातावरण बना सकती हैं और सामग्रियों के ऑप्टिकल गुणों को नियंत्रित कर सकती हैं।

पदानुक्रमित संश्लेषण के लिए रणनीतियाँझरझरा सामग्री

1. सर्फ़ैक्टेंट टेम्प्लेटिंग विधि

हम पदानुक्रमित मेसोपोरस सामग्री बनाने के लिए सर्फेक्टेंट का उपयोग कैसे कर सकते हैं? विभिन्न आणविक आकारों के दो सर्फेक्टेंट को टेम्पलेट के रूप में नियोजित करना एक सीधी रणनीति है। झरझरा संरचनाओं के निर्माण के लिए सर्फ़ेक्टेंट स्व-इकट्ठे आणविक समुच्चय या सुपरमॉलेक्यूलर असेंबलियों का उपयोग संरचना-निर्देशन एजेंटों के रूप में किया गया है। चरण पृथक्करण को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, दोहरे सर्फेक्टेंट टेम्प्लेटिंग का उपयोग करके पदानुक्रमित छिद्र संरचनाओं को संश्लेषित किया जा सकता है।

तनु सर्फेक्टेंट जलीय घोल में, पानी के साथ हाइड्रोकार्बन श्रृंखला के संपर्क में कमी से सिस्टम की मुक्त ऊर्जा कम हो जाती है। सर्फेक्टेंट टर्मिनल समूहों की हाइड्रोफिलिसिटी कई सर्फेक्टेंट अणुओं द्वारा गठित समुच्चय के प्रकार, आकार और अन्य विशेषताओं को निर्धारित करती है। सर्फेक्टेंट जलीय घोल का सीएमसी सिस्टम में उपयोग किए जाने वाले सर्फेक्टेंट, तापमान और/या कोसॉल्वैंट्स की रासायनिक संरचना से संबंधित है।

बिमोडल मेसोपोरस सिलिका जैल ब्लॉक कॉपोलिमर (केएलई, एसई, या एफ127) और छोटे सर्फेक्टेंट (आईएल, सीटीएबी, या पी123) युक्त समाधानों का उपयोग करके तैयार किया जाता है।

2. प्रतिकृति विधि

संश्लेषण करने का शास्त्रीय दृष्टिकोण क्या है?झरझरा कार्बन सामग्री? झरझरा कार्बन के लिए सामान्य टेम्प्लेटिंग प्रतिकृति प्रक्रिया में कार्बन अग्रदूत/अकार्बनिक टेम्प्लेट समग्र तैयार करना, कार्बोनाइजेशन और बाद में अकार्बनिक टेम्प्लेट को हटाना शामिल है। इस विधि को दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है। पहली श्रेणी में सिलिका नैनोकणों जैसे कार्बन अग्रदूत के भीतर अकार्बनिक टेम्पलेट्स को एम्बेड करना शामिल है। कार्बोनाइजेशन और टेम्प्लेट हटाने के बाद, परिणामी झरझरा कार्बन सामग्री में अलग-अलग छिद्र होते हैं जो शुरू में टेम्प्लेट प्रजातियों द्वारा कब्जा कर लिए जाते हैं। दूसरी विधि कार्बन अग्रदूत को टेम्पलेट छिद्रों में पेश करती है। कार्बोनाइजेशन और टेम्पलेट हटाने के बाद उत्पन्न झरझरा कार्बन सामग्री में परस्पर जुड़ी हुई छिद्र संरचनाएं होती हैं।

3. सोल-जेल विधि

पदानुक्रमित झरझरा सामग्रियों को संश्लेषित करने के लिए सोल-जेल विधि का उपयोग कैसे किया जाता है? इसकी शुरुआत कोलाइडल कण निलंबन (सोल) के निर्माण से होती है, इसके बाद एकत्रित सोल कणों से बने जेल का निर्माण होता है। जेल के थर्मल उपचार से वांछित सामग्री और आकारिकी प्राप्त होती है, जैसे पाउडर, फाइबर, फिल्म और मोनोलिथ। प्रीकर्सर आम तौर पर धातु कार्बनिक यौगिक होते हैं, जैसे एल्कोऑक्साइड, केलेटेड एल्कोक्साइड, या धातु क्लोराइड, सल्फेट्स और नाइट्रेट जैसे धातु लवण। एल्कोक्साइड के प्रारंभिक हाइड्रोलिसिस या समन्वित पानी के अणुओं के अवक्षेपण से प्रतिक्रियाशील हाइड्रॉक्सिल समूहों का निर्माण होता है, जो फिर शाखित ऑलिगोमर्स, पॉलिमर, धातु ऑक्साइड कंकाल के साथ नाभिक और प्रतिक्रियाशील अवशिष्ट हाइड्रॉक्सिल और एल्कोक्साइड समूहों को बनाने के लिए संघनन प्रक्रियाओं से गुजरते हैं।

4. उपचार के बाद की विधि

द्वितीयक छिद्रों को शामिल करके पदानुक्रमित छिद्रपूर्ण सामग्री तैयार करने के लिए उपचार के बाद की कौन सी विधियों का उपयोग किया जाता है? ये विधियाँ आम तौर पर तीन श्रेणियों में आती हैं। पहली श्रेणी में अतिरिक्त ग्राफ्टिंग शामिल हैझरझरा सामग्रीमूल झरझरा सामग्री पर. दूसरे में अतिरिक्त छिद्र प्राप्त करने के लिए मूल छिद्रपूर्ण सामग्री की रासायनिक नक़्क़ाशी या लीचिंग शामिल है। तीसरे में नए छिद्र बनाने के लिए रासायनिक या भौतिक तरीकों (जैसे बहुपरत जमाव और इंकजेट प्रिंटिंग) का उपयोग करके झरझरा सामग्री (आमतौर पर नैनोकण) के अग्रदूतों को इकट्ठा करना या व्यवस्थित करना शामिल है। उपचार के बाद के महत्वपूर्ण लाभ हैं: (i) विभिन्न आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए विभिन्न कार्यात्मकताओं को डिजाइन करने की क्षमता; (ii) संगठित पैटर्न और आकारिकी को डिजाइन करने के लिए विभिन्न प्रकार की संरचनाएं प्राप्त करने की क्षमता; (iii) वांछित अनुप्रयोगों का विस्तार करने के लिए विभिन्न प्रकार के छिद्रों को संयोजित करने की क्षमता।

5. इमल्शन टेम्प्लेटिंग विधि

इमल्शन में तेल चरण या जल चरण को समायोजित करने से नैनोमीटर से माइक्रोमीटर तक के छिद्र आकार के साथ पदानुक्रमित संरचनाएं कैसे बन सकती हैं? बूंदों के आसपास प्रीकर्सर जम जाते हैं, और फिर वाष्पीकरण के माध्यम से सॉल्वैंट्स हटा दिए जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप छिद्रपूर्ण पदार्थ बनते हैं। ज्यादातर मामलों में, पानी विलायकों में से एक है। इमल्शन का निर्माण तेल चरण में पानी की बूंदों को फैलाकर किया जा सकता है, जिसे "तेल में पानी (डब्ल्यू/ओ) इमल्शन" के रूप में जाना जाता है, या पानी में तेल की बूंदों को फैलाकर, जिसे "पानी में तेल (ओ/डब्ल्यू)" के रूप में जाना जाता है। इमल्शन।"

हाइड्रोफिलिक सतहों के साथ झरझरा पॉलिमर बनाने के लिए, उनके हाइड्रोफोबिक झरझरा संरचनाओं को समायोजित करने के लिए डब्ल्यू/ओ इमल्शन का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हाइड्रोफिलिसिटी को बढ़ाने के लिए, इमल्शन में गैर-कार्यात्मक मोनोमर्स (जैसे स्टाइरीन) में कार्यात्मक कॉपोलिमर (जैसे विनाइल बेंज़िल क्लोराइड) जोड़े जाते हैं। बूंदों के आकार को समायोजित करके, पदानुक्रमितझरझरा सामग्रीपरस्पर जुड़े छिद्रों और निरंतर छिद्र व्यास के साथ प्राप्त किया जा सकता है।

6. जिओलाइट संश्लेषण विधि

जिओलाइट संश्लेषण रणनीतियाँ, अन्य संश्लेषण रणनीतियों के साथ मिलकर, पदानुक्रमित छिद्रपूर्ण सामग्री कैसे उत्पन्न कर सकती हैं? जिओलाइट संश्लेषण के दौरान चरण पृथक्करण नियंत्रण पर आधारित अतिवृद्धि रणनीतियों का उपयोग पदानुक्रमित कोर/शेल संरचनाओं के साथ द्वि-सूक्ष्मदर्शी जिओलाइट्स प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिन्हें तीन प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है। पहले प्रकार में आइसोमोर्फस कोर (जैसे कि ZSM-5/सिलिकालाइट-1) के माध्यम से अतिवृद्धि शामिल है, जहां कोर क्रिस्टल संरचना-निर्देशन एजेंट के रूप में कार्य करते हैं। दूसरा प्रकार एपीटैक्सियल विकास है, जैसे जिओलाइट एलटीए/एफएयू प्रकार, जिसमें विभिन्न स्थानिक व्यवस्थाओं के साथ एक ही इमारत इकाइयां शामिल होती हैं। इस विधि में, जिओलाइट परतों की चयनात्मक अतिवृद्धि के कारण, कोटिंग केवल कुछ विशिष्ट क्रिस्टल चेहरों पर ही की जा सकती है। तीसरा प्रकार विभिन्न जिओलाइट्स पर अतिवृद्धि है, जैसे FAU/MAZ, BEA/MFI, और MFI/AFI प्रकार। ये जिओलाइट पूरी तरह से अलग-अलग जिओलाइट संरचनाओं से बने होते हैं, इस प्रकार इनमें विशिष्ट रासायनिक और संरचनात्मक विशेषताएं होती हैं।

7. कोलाइडल क्रिस्टल टेम्प्लेटिंग विधि

अन्य विधियों की तुलना में, कोलाइडल क्रिस्टल टेम्प्लेटिंग विधि बड़े आकार की सीमा में क्रमबद्ध, आवधिक छिद्र संरचनाओं के साथ सामग्री का निर्माण कैसे करती है? इस विधि का उपयोग करके उत्पन्न सरंध्रता कठोर टेम्पलेट्स के रूप में उपयोग किए जाने वाले समान कोलाइडल कणों की आवधिक सरणी की प्रत्यक्ष प्रतिकृति है, जिससे अन्य टेम्पलेटिंग विधियों की तुलना में पदानुक्रमित आकार स्तरों का निर्माण करना आसान हो जाता है। कोलाइडल क्रिस्टल टेम्प्लेट का उपयोग करने से एकत्रित कोलाइडल रिक्तियों से परे अतिरिक्त सरंध्रता प्राप्त हो सकती है।

कोलाइडल क्रिस्टल टेम्प्लेटिंग के मूल चरणों का वर्णन किया गया है, जिसमें कोलाइडल क्रिस्टल टेम्प्लेट का निर्माण, अग्रदूत घुसपैठ और टेम्पलेट हटाना शामिल है। आम तौर पर, सतह और आयतन टेम्पलेट संरचनाएं दोनों उत्पन्न की जा सकती हैं। सतह टेम्प्लेटिंग सुविधा के माध्यम से उत्पन्न त्रि-आयामी आदेशित मैक्रोपोरस (3DOM) संरचनाएं आपस में जुड़े हुए "गुब्बारे" और स्ट्रट-जैसे नेटवर्क की सुविधा देती हैं।

8. बायो-टेम्पलेटिंग विधि

कैसे पदानुक्रमित हैंझरझरा सामग्रीबायोमिमेटिक रणनीतियों के माध्यम से निर्मित जो सीधे प्राकृतिक सामग्री या सहज असेंबली प्रक्रियाओं को दोहराते हैं? दोनों विधियों को जैव-प्रेरित प्रक्रियाओं के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।

पदानुक्रमित छिद्रपूर्ण संरचनाओं वाली विभिन्न प्रकार की प्राकृतिक सामग्रियों को उनकी कम लागत और पर्यावरण मित्रता के कारण सीधे जैव-टेम्पलेट के रूप में उपयोग किया जा सकता है। इन सामग्रियों में, जीवाणु धागे, डायटम फ्रस्ट्यूल, अंडे के छिलके की झिल्ली, कीड़ों के पंख, पराग कण, पौधों की पत्तियां, लकड़ी सेलूलोज़, प्रोटीन समुच्चय, मकड़ी रेशम, डायटम और अन्य जीव बताए गए हैं।

9. पॉलिमर टेम्प्लेटिंग विधि

मैक्रोपोरस वाली पॉलिमर संरचनाओं को पदानुक्रमित छिद्रपूर्ण सामग्रियों के निर्माण के लिए टेम्पलेट के रूप में कैसे उपयोग किया जा सकता है? मैक्रोपोरस पॉलिमर मचान के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिसमें रासायनिक प्रतिक्रियाएं या नैनोकणों की घुसपैठ उनके आसपास या भीतर होती है, जो सामग्री की आकृति विज्ञान का मार्गदर्शन करती है। पॉलिमर हटा दिए जाने के बाद, सामग्री मूल टेम्पलेट की संरचनात्मक विशेषताओं को बरकरार रखती है।

10. सुपरक्रिटिकल द्रव विधि

वाष्पशील कार्बनिक सॉल्वैंट्स की आवश्यकता के बिना, केवल पानी और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके अच्छी तरह से परिभाषित छिद्रपूर्ण संरचनाओं वाली सामग्रियों को कैसे संश्लेषित किया जा सकता है, इस प्रकार व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं प्रदान की जा सकती हैं? बूंद चरण को हटाना सीधा है क्योंकि कार्बन डाइऑक्साइड अवसादन पर गैसीय अवस्था में वापस आ जाता है। सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ, जो न तो गैस हैं और न ही तरल पदार्थ, को धीरे-धीरे निम्न से उच्च घनत्व तक संपीड़ित किया जा सकता है। इसलिए, रासायनिक प्रक्रियाओं में ट्यून करने योग्य सॉल्वैंट्स और प्रतिक्रिया मीडिया के रूप में सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ महत्वपूर्ण हैं। सुपरक्रिटिकल द्रव प्रौद्योगिकी पदानुक्रमित झरझरा सामग्रियों के संश्लेषण और प्रसंस्करण के लिए एक महत्वपूर्ण विधि है।

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