Мезопористые материалы: структура, свойства и применение.

Введение

Мезопористый материал (или супернанопористый) – это нанопористый материал, содержащий поры диаметром от 2 до 50 нм, согласно номенклатуре IUPAC. Для сравнения, IUPAC определяет микропористый материал как материал с порами диаметром менее 2 нм, а макропористый материал – как материал с порами диаметром более 50 нм. Типичные мезопористые материалы включают некоторые виды кремнезема и глинозема, обладающие мезопорами сопоставимого размера. Также сообщалось о мезопористых оксидах ниобия, тантала, титана, циркония, церия и олова. Однако, ключевым материалом среди мезопористых является мезопористый углерод, который находит непосредственное применение в устройствах накопления энергии. Мезопористый углерод обладает пористостью в диапазоне мезопор, что значительно увеличивает его удельную поверхность. Другим широко распространенным мезопористым материалом является активированный уголь, который обычно состоит из углеродного каркаса, содержащего как мезопоры, так и микропоры, в зависимости от условий его синтеза. Согласно IUPAC, мезопористый материал может быть неупорядоченным или упорядоченным в мезоструктуре. В кристаллических неорганических материалах мезопористая структура заметно ограничивает количество элементарных ячеек, что существенно изменяет химию твердого тела. Например, характеристики батарей, изготовленных из мезопористых электроактивных материалов, значительно отличаются от характеристик их объемных аналогов. Процедура получения мезопористых материалов (кремнезема) была запатентована примерно в 1970 году, а методы, основанные на процессе Стэбера 1968 года, все еще применялись в 2015 году. Она долгое время оставалась практически незамеченной и была воспроизведена в 1997 году. Мезопористые наночастицы кремнезема (MSN) были независимо синтезированы в 1990 году исследователями в Японии. Позже они были также получены в лабораториях Mobil Corporation и получили название Mobil Crystalline Materials, или MCM-41. Изначальные методы синтеза не позволяли контролировать качество вторичного уровня пористости. Только использование четвертичных аммониевых катионов и силанизирующих агентов в процессе синтеза обеспечивало материалам истинный уровень иерархической пористости и улучшенные текстурные свойства. Мезопористые материалы также были получены в виде тонких пленок методом самосборки, индуцированной испарением, в различных организованных мезоструктурах и с различным составом. С тех пор исследования в этой области стабильно развиваются. Заметными примерами перспективных промышленных применений являются катализ, сорбция, газовый анализ, аккумуляторы, ионный обмен, оптика и фотоэлектричество. В области катализа цеолиты представляют собой развивающееся направление, где мезопористость, как функция катализатора, изучается для повышения его эффективности при использовании в процессе каталитического крекинга. Следует учитывать, что данная мезопористость относится к классификации нанопористости, и мезопоры могут определяться по-разному в других контекстах; например, в контексте пористых агрегатов, таких как почва, мезопоры определяются как полости размером от 30 мкм до 75 мкм.

A mesoporous material (or super nanoporous ) is a nanoporous material containing pores with diameters between 2 and 50 nm, according to IUPAC nomenclature. For comparison, IUPAC defines microporous material as a material having pores smaller than 2 nm in diameter and macroporous material as a material having pores larger than 50 nm in diameter. Typical mesoporous materials include some kinds of silica and alumina that have similarly sized mesopores. Mesoporous oxides of niobium, tantalum, titanium, zirconium, cerium and tin have also been reported. However, the flagship of mesoporous materials is mesoporous carbon, which has direct applications in energy storage devices. Mesoporous carbon has porosity within the mesopore range and this significantly increases the specific surface area. Another very common mesoporous material is activated carbon which is typically composed of a carbon framework with both mesoporosity and microporosity depending on the conditions under which it was synthesized. According to IUPAC, a mesoporous material can be disordered or ordered in a mesostructure. In crystalline inorganic materials, mesoporous structure noticeably limits the number of lattice units, and this significantly changes the solid state chemistry. For example, the battery performance of mesoporous electroactive materials is significantly different from that of their bulk structure. A procedure for producing mesoporous materials (silica) was patented around 1970, and methods based on the Stöber process from 1968 were still in use in 2015. It went almost unnoticed and was reproduced in 1997. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) were independently synthesized in 1990 by researchers in Japan. They were later produced also at Mobil Corporation laboratories and named Mobil Crystalline Materials, or MCM 41. The initial synthetic methods did not allow to control the quality of the secondary level of porosity generated. It was only by employing quaternary ammonium cations and silanization agents during the synthesis that the materials exhibited a true level of hierarchical porosity and enhanced textural properties. Mesoporous materials have been also produced in the form of thin films via evaporation induced self assembly, in different organized mesostructures and compositions. Since then, research in this field has steadily grown. Notable examples of prospective industrial applications are catalysis, sorption, gas sensing, batteries, ion exchange, optics, and photovoltaics. In the field of catalysis, zeolites is an emerging topic where the mesoporosity as a function of the catalyst is studied to improve its performance for use in Fluid catalytic cracking. It should be taken into account that this mesoporosity refers to the classification of nanoscale porosity, and mesopores may be defined differently in other contexts; for example, mesopores are defined as cavities with sizes in the range 30 μm–75 μm in the context of porous aggregations such as soil.