Mesoporöse Materialien können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden. Die gängigen Klassifizierungsmethoden sind wie folgt:
I. Klassifizierung nach der chemischen Zusammensetzung
1.1 Silicium-basierte mesoporöse Materialien
Dies ist die am frühesten und am weitesten untersuchte Klasse von mesoporösen Materialien. Sie bestehen hauptsächlich aus Siliziumdioxid und zeichnen sich durch eine hohe spezifische Oberfläche, eine regelmäßige Porengestalt und eine gute chemische Stabilität aus. Typische Vertreter sind MCM-41, SBA-15 usw. MCM-41 hat eine hexagonal geordnete Porengestalt, und der Porendurchmesser beträgt im Allgemeinen zwischen 2 und 10 nm. SBA-15 hat eine dickere Porenwand und einen größeren Porendurchmesser im Bereich von 5 bis 30 nm und weist eine bessere hydrothermische Stabilität als MCM-41 auf.
1.2 Metalloxid-mesoporöse Materialien
Dies umfasst mesoporöse Materialien, die aus verschiedenen Metalloxiden wie Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinkoxid usw. bestehen. Sie haben einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften und finden wichtige Anwendungen auf Gebieten wie der Katalyse und der Sensorik. Beispielsweise hat mesoporöses Aluminiumoxid eine hohe spezifische Oberfläche und eine gute thermische Stabilität und wird häufig als Katalysatorträger verwendet. Mesoporöses Titandioxid wird aufgrund seiner photocatalytischen Aktivität bei der Abwasserreinigung und der photokatalytischen Wasserstoffgewinnung beachtet.
1.3 Kohlenstoff-basierte mesoporöse Materialien
Diese Materialien haben eine hohe spezifische Oberfläche, eine gute elektrische Leitfähigkeit und chemische Stabilität. Die gängige Herstellmethode besteht darin, Phenolharz, Saccharose usw. als Kohlenstoffquelle zu verwenden und die Herstellung mittels dem Templatverfahren durchzuführen. Mesoporöse Kohlenstoffmaterialien zeigen hervorragende Eigenschaften in Bereichen wie Superkondensatoren, Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sowie Adsorption und Separation.
Kohlenstoff-basierte mesoporöse Materialien finden Anwendungen auf dem Gebiet der elektrochemischen Katalyse.
1.4 Metallorganische Gerüste (MOF) - mesoporöse Materialien
Dies sind poröse Materialien, die durch die Selbstorganisation von Metallionen oder Metallclustern und organischen Liganden über Koordinationsbindungen zu einem periodischen Netzwerk aufgebaut werden. MOF-Materialien haben eine extrem hohe spezifische Oberfläche und eine regulierbare Porengestalt. Größe und Form der Poren können durch die Auswahl unterschiedlicher Metallionen und organischer Liganden präzise entworfen werden. Sie haben weite Anwendungsaussichten in Bereichen wie der Gasspeicherung und -trennung, der Katalyse und der Arzneimittelabgabe.
Morphologie von Metallorganischen Gerüsten (MOF) - mesoporösen Materialien
II. Klassifizierung nach der Porengestalt
2.1 Geordnete mesoporöse Materialien
Die Poren sind regelmäßig und geordnet angeordnet und weisen eine hohe Periodizität und Symmetrie auf. So ist MCM-41, wie oben erwähnt, hexagonal geordnet, und es gibt auch kubische Phasen wie KIT-6 usw. Die regelmäßige Porengestalt dieser Materialien fördert den Stofftransport und die Diffusion und sorgt für hervorragende Eigenschaften in Anwendungen wie der Katalyse und der Adsorption.
Schema der einheitlichen Micell-Richtungs-Synthese von geordneten mesoporösen Materialien
2.2 Ungeordnete mesoporöse Materialien
Die Porengestalt ist relativ unregelmäßig und weist keine deutliche Periodizität und Symmetrie auf. Obwohl die Porenordnung schlechter ist als die geordneten mesoporösen Materialien, können die ungeordneten mesoporösen Strukturen in bestimmten Anwendungen besondere Eigenschaftsvorteile bieten. Beispielsweise können ungeordnete mesoporöse Materialien in einigen Adsorptionssystemen, in denen die Anforderungen an die Porenverbindung höher sind und die Anforderungen an die Porenregelmäßigkeit relativ geringer sind, eine bessere Adsorptionskinetik aufweisen.
III. Anwendungsbranchen und -bereiche von mesoporösen Materialien
3.1 Katalysebereich
a. Petrochemie
Bei der Raffination von Öl dienen mesoporöse Materialien als Katalysatoren oder Katalysatorträger und unterstützen Reaktionen wie die Spaltung und Umwandlung von Öl. Ihre große spezifische Oberfläche und die geeignete Porengestalt ermöglichen eine hohe Dispersion der aktiven Komponenten, erhöhen die Katalysatoreffizienz, senken die Reaktionstemperatur und -druck und reduzieren den Energieverbrauch und den Verschleiß der Anlagen. Beispielsweise können mesoporöse Molekularsiebb Katalysatoren bei der Spaltung von Schweröl die Makromoleküle von Schweröl in leichteres Öl umwandeln und so die Qualität und die Ausbeute der Ölprodukte verbessern.
b. Feinchemie
Bei der Synthese von Feinchemikalien wie Pharmazeutischen Zwischenprodukten, Duftstoffen, Additiven usw. können mesoporöse Materialkatalysatoren hochselektive katalytische Reaktionen ermöglichen. Indem die Porendurchmesser und die Oberflächeneigenschaften entworfen werden, können bestimmte Edukte in die Poren gelangen und an den aktiven Zentren reagieren, während Nebenreaktionen unterdrückt werden, was die Ausbeute und die Reinheit des Zielprodukts erhöht.
3.2 Adsorption und Separationsbereich
c. Gassorption und -speicherung
Mesoporöse Materialien können zur Adsorption und Speicherung von Gasen wie Wasserstoff und Methan verwendet werden. Ihre reiche Porengestalt bietet zahlreiche Adsorptionsstellen und ermöglicht eine effiziente Gassorption und reversible Desorption unter relativ milden Bedingungen. Dies könnte das Problem der Speicherung und des Transports von sauberen Energieträgern wie Wasserstoff lösen. Darüber hinaus können mesoporöse Materialien bei der Luftreinigung schädliche Gase wie Schwefeldioxid, Stickoxide, flüchtige organische Verbindungen
(VOCs) usw. selektiv adsorbieren und so die Luftqualität verbessern.
Gassorptionsvermögen neuer mesoporöser Materialien
d. Flüssigtrennung
Bei der Wasseraufbereitung können mesoporöse Materialien zur Entfernung von Schwermetallionen und organischen Schadstoffen im Wasser verwendet werden. Die Porendurchmesser können präzise kontrolliert werden, um Moleküle und Ionen unterschiedlicher Größe zu filtern. Beispielsweise hat mesoporöses Aktivkohle eine gute Adsorptionsleistung für organische Schadstoffe wie Farbstoffe und Pestizide im Wasser. Mesoporöse Keramikmembranen können in Prozessen wie der Ultrafiltration und der Mikrofiltration eingesetzt werden, um die feste-flüssige Trennung und die Trennung von Stoffen unterschiedlicher Molekülmasse zu erreichen.
Verfahren und Prozess zur wässrigen Synthese von mesoporösem Titandioxidmaterial
3.3 Energiebereich
e. Batteriematerialien
Bei Lithium-Ionen-Batterien können mesoporös strukturierte Elektrodenmaterialien mehr Einlagerungs-/Entnahmewege für Lithium-Ionen bieten, die Ionen-Diffusionsstrecke verkürzen und so die Ladungs- und Entladungseffizienz sowie die Zyklenstabilität der Batterie verbessern. Beispielsweise hat mesoporöses Titandioxid als Anodenmaterial eine hohe spezifische Kapazität und eine gute Rate-Eigenschaft. Mesoporöse Kohlenstoffmaterialien können zur Herstellung von Hochleistungs-Elektroden für Superkondensatoren eingesetzt werden. Ihre große spezifische Oberfläche und die entwickelte Porengestalt tragen dazu bei, Ladungen schnell zu speichern und freizusetzen und erhöhen so die Energiedichte und die Leistungsdichte der Superkondensatoren.
Mesoporöse Kohlenstoffelektrode für kohlenstoffbasierte Perowskit-Solarzellen
f. Sonnenergieverwendung
Mesoporöse Halbleitermaterialien finden wichtige Anwendungen in Bereichen wie Solarzellen und der photokatalytischen Wasserstoffgewinnung durch Wasserspaltung. Beispielsweise ist die mesoporöse Titandioxid-Schicht ein Schlüsselbestandteil der Photoanode in farbstoff-sensibilisierten Solarzellen. Ihre hohe spezifische Oberfläche kann mehr Farbstoffmoleküle aufnehmen und so die Absorption von Sonnenlicht und die photovoltaische Umwandlungseffizienz verbessern. Bei der photokatalytischen Wasserstoffgewinnung durch Wasserspaltung hilft die mesoporöse Struktur, die Lichtabsorption und -nutzungseffizienz des Photokatalysators zu verbessern und die Trennung und den Transport der photoinduzierten Ladungsträger zu fördern, was die Wasserstoffproduktionseffizienz erhöht.
Anwendung von mesoporösen Halbleitermaterialien in Solarzellen und der photokatalytischen
Wasserstoffgewinnung durch Wasserspaltung
3.4 Biomedizinischer Bereich
g. Arzneiträger
Mesoporöse Materialien haben eine gute Biokompatibilität und ein großes Porengefügevolumen und können eine große Anzahl von Arzneimittelmolekülen aufnehmen. Durch die Modifizierung der Porenoberfläche kann eine zielgerichtete Arzneimittelabgabe und eine kontrollierte Freisetzung erreicht werden. Beispielsweise kann ein Antikrebsmittel in mesoporösen Siliciumdioxid-Nanopartikeln eingeschlossen und mit Liganden, die auf Tumorzellen abzielen, modifiziert werden. Dadurch kann das Arzneimittel präzise im Tumorgewebe angereichert werden, und die toxischen Nebenwirkungen auf gesundes Gewebe werden verringert. Zugleich kann die Freisetzungsgeschwindigkeit des Arzneimittels durch die Anpassung der Porengestalt und der Oberflächeneigenschaften des mesoporösen Materials gesteuert werden, um eine langfristige verzögerte Freisetzungstherapie zu erreichen.
Anwendung von mesoporösem Siliciumdioxid als Arzneiträger
h. Biosensoren
Unter Nutzung der hohen spezifischen Oberfläche und der guten Adsorptionsfähigkeiten von mesoporösen Materialien werden biologische Erkennungsmoleküle (wie Enzyme, Antikörper, Nukleinsäuren usw.) immobilisiert, um Biosensoren herzustellen. Mesoporöse Materialien können die Beladungskapazität der biologischen Erkennungsmoleküle erhöhen und so die Empfindlichkeit und die Nachweisgrenze des Sensors verbessern. Beispielsweise kann ein Glucosesensor auf der Grundlage von mesoporösem Kohlenstoffmaterial schnell und genau den Glucosegehalt im Blut messen und so eine bequeme Blutglukosesüberwachung für Diabetiker ermöglichen.
Anwendungsgrundlagen von mesoporösem Siliciumdioxid im biomedizinischen Bereich
3.5 Elektronik- und Informationsbereich
i. Mikroelektronische Bauelemente
Bei der Herstellung von Halbleiterchips können mesoporöse Materialien zur Herstellung von Isolationsschichten mit niedriger Dielektrizitätskonstante eingesetzt werden. Dies reduziert die kapazitive Kopplungseffekte innerhalb des Chips, verringert die Signallaufzeit und verbessert die Betriebsgeschwindigkeit und die Leistung des Chips. Darüber hinaus können mesoporöse Materialien auch als Wärmeableitmaterialien für elektronische Bauelemente verwendet werden. Ihre hohe spezifische Oberfläche und gute Wärmeleitfähigkeit helfen, die Wärmeabfuhrleistung zu verbessern und die stabile Betriebsweise der elektronischen Bauelemente in einer Hochtemperaturumgebung sicherzustellen.
BMN-Film-Spannungsgesteuertes Dielektrikum-Variokondensator
j. Optische Materialien
Mesoporöse Materialien können in der Optik zur Herstellung von Lichtwellenleitern, Leuchtstoffen usw. eingesetzt werden. Indem leuchtende Selten-Erd-Ionen oder organische Leuchtmoleküle in die mesoporösen Materialien eingedotet werden, kann die Leuchtleistung reguliert werden, und hochwirksame Leuchtstoffe hergestellt werden. Die mesoporöse Struktur kann auch die Lichtausbreitung regulieren und zur Herstellung von Lichtwellenleiterbauelementen mit speziellen optischen Eigenschaften eingesetzt werden, was potenzielle Anwendungen in Bereichen wie der Lichtkommunikation und der optischen Informationsverarbeitung eröffnet.
