1. Нанопористі матеріали
Виконав: студент
гр. 5310
Пипич Олександра
2. Визначення
• Нанопористий матеріал (англ. Нанопористий
матеріал (англ. nanoporous material) - матеріал,
що містить пори, розміри яких знаходяться в
нанодіапазоні (
1-100 нм).
• Термін вживається для вказівки на те, що
специфічні властивості матеріалу (сенсорні,
адсорбційні, каталітичні, дифузійні і
ін.) пов'язані з наявністю нанопор. До Нанопористий
матеріалами можуть бути віднесені більшість
відомих мембран, сорбентів, каталізаторів.
визначення
Нанопористий
МАТЕРІАЛИ
об'ємні
матеріали
мембрани
5. Нанопористі мембрани
• Мембрана (англ. Membrane)
- перегородка, що розділяє дві
рідкі або газоподібні фази,
забезпечує під дією
рушійної сили селективний
перенесення компонентів цих фаз.
• Молекулярна фільтрація, інакше
мембранна фільтрація (англ.
molecular filtration) - процес
поділу різних речовин за
рахунок молекулярно-ситового ефекту
за допомогою мембран, що мають
розмір пір, сумірний з
розмірами молекул речовин.
нанопористі
мембрани
6. Об'ємні матеріали
• Відмітною властивістю об'ємних нанопористих
матеріалів є їх велика площа
поверхні, що призводить до каталітичних і
сорбційними властивостями. Питома поверхня таких
матеріалів зазвичай порядку сотень квадратних метрів
на грам.
об'ємні матеріали
• Згідно з номенклатурою ІЮПАК (Міжнародного
Хімічного Союзу) все пористі матеріали
діляться на 3 класу.
нанопористі матеріали
мікропористі (R <2 нм)
мезопористі (2
8. Мікропори
(Англ. Micropores) - пори діаметром
менше 2 нм.
Поверхня мікропористих систем величезна, вона
може досягати тисяч квадратних метрів на грам. До
мікропористим матеріалів відносять активовані
вугілля, силікагелі, цеоліти, деякі типи глин і ін.
Через близькість стінок пір закономірності адсорбції в
мікропорах різко відрізняються від адсорбції на плоскій
поверхні або в великих порах.
мікропори
9. мезопорах
• мезопорах (англ. Mesopores) - пори розміром від 2 до 50 нм.
• Виділення цій галузі пір в окрему групу засновано
на те, що саме в порах такого розміру відбувається і
може бути виміряна капілярна конденсація
(Конденсація при парціальному тиску нижче тиску
насиченої пари). Мезопори можуть містити оксиди
кремнію, алюмінію, цирконію, вуглецеві матеріали,
алюмосилікати і ін. мезопористого матеріали
становлять великий практичний інтерес як сорбенти
та інші носії каталізаторів.
мезопори
10. Макропори
• Макропори (англ. Macropores) - пори діаметром більше
50 нм.
• На відміну від більш дрібних мезопор, в макропори НЕ
відбувається капілярної конденсації, а на ізотермах
адсорбції макропористістю систем відсутня гистерезис.
Питома площа поверхні макропористістю
матеріалів мала і становить до кількох квадратних
метрів на грам зразка. Вони грають роль транспортних
каналів, що забезпечують вільний рух адсорбата
або реагентів (продуктів реакції) всередині пористого тіла.
макропори
12. Застосування
• Нанопористі матеріали призначені як для
дифузійного поділу газових сумішей, так і для
розміщення і стабілізації наночастинок
функціонального призначення (підкладки для
каталізу, емітери, датчики та ін.) Вони використовуються
для створення мембран, фільтрів, молекулярних сит,
як сорбенти.
застосування
13. Сорбенти
• Сорбент - тверде тіло або рідина, вибірково поглинають
(Сорбирующие) з навколишнього середовища гази, пари або розчинені
речовини.
• В залежності від характеру сорбції розрізняють абсорбенти - тіла,
утворюють з поглинутим речовиною твердий або рідкий розчин;
адсорбенти - тіла, що концентрують речовина на своїй поверхні, і
хімічні поглиначі, які пов'язують поглинається речовина, вступаючи
з ним в хімічну взаємодію. Найважливіші тверді сорбенти -
активоване вугілля, силікагель, оксид алюмінію, цеоліти, іонообмінні
смоли. Як правило, для ефективної адсорбції тверді адсорбенти
повинні володіти високими значеннями питомої поверхні, для чого
структура сорбенту повинна містити мікро- і мезопори. Крім високого
спорідненості до компоненту суміші, селективність адсорбції з сумішей різних
речовин може забезпечуватися також молекулярно-ситовим ефектом.
сорбенти
15. Молекулярно-ситової ефект
• Ефект, молекулярно-сітовой- ефект, що складається в різній
доступності внутрішнього простору пористих матеріалів для молекул,
відрізняються за розмірами.
• Молекулярно-ситової ефект спостерігається для пористих матеріалів з
розмірами пір, порівнянними з розміром молекул. виділяють кілька
видів молекулярно-ситового ефекту. Якщо відмінність швидкостей дифузії
різних молекул усередині пір обумовлені, в основному, відмінністю в розмірах
цих молекул, говорять про те, що молекулярно-ситової ефект полягає
в селективному масопереносу. Іншим випадком молекулярно-ситового
ефекту є селективність по формі, прояв якої полягає
в тому, що всередині пір в ході хімічних реакцій можуть утворюватися
лише ті молекули, для яких розмір перехідного комплексу менше
розміру пір. На молекулярно-ситові ефект заснований ряд процесів
селективної адсорбції, каталізу, мембранного поділу і ін.
Молекулярно-ситової
ефект
16. Отримання
• Технологічні прийоми отримання нанопористих матеріалів
вельми різноманітні: гідротермальний синтез, золь-гельпроцесси, електрохімічні методи, обробка хлором
карбідних матеріалів і ін. Різні стільникові структури
створюються комбінацією прийомів стандартної літографії
(Нанесення малюнка майбутньої решітки), лужного травлення,
анодного розчинення, окислення-відновлення і т. д.
• При обробці полімерів, діелектриків і напівпровідників
високоенергетичними іонами утворюються так звані
іонні треки нанометрового розміру, які можуть бути
використані для створення нанофільтри.
отримання
17. Отримання пористого кремнію
• Традиційним способом отримання пористого кремнію є
електрохімічне травлення пластин монокристалічного кремнію (c-Si) в
етаноловом розчині плавикової кислоти HF. При позитивному потенціалі
на кремнієвому електроді (аноді) протікають багатоступінчасті реакції
розчинення і відновлення кремнію. Другим електродом (катодом) зазвичай
служить платинова пластина. При відповідному виборі щільності
електричного струму на поверхні c-Si відбувається формування пористого
шару.
• Поверхня Si при контакті з водними розчинами HF насичується
воднем і стає хімічно інертною по відношенню до електроліту.
Якщо на електроди подати різницю потенціалів, то дірки в кремнієвої
пластині починають мігрувати до поверхні розділу кремній-електроліт.
При цьому атоми Si звільняються від блокуючого їх водню, починають
взаємодіяти з іонами і молекулами електроліту і переходять в розчин.
отримання пористого
кремнію