Мезопористые материалы характеризуются наличием пор с диаметром от 2
до 50 нм, что отличает их от микропористых (<2 нм) и макропористых
(>50 нм) систем. Основные типы мезопористых структур включают:
- Силлика (SiO₂) мезопоры: Силіка является наиболее
изученным классом мезопористых материалов. Организация пор может быть
упорядоченной (например, MCM-41, SBA-15) или аморфной.
- Металлические оксиды: TiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ и их
смешанные оксиды демонстрируют мезопористую структуру с высокой
термической и химической стабильностью.
- Углеродные мезопоры: Активные угли, углеродные
аэрогели и карбоны с контролируемой пористостью. Отличаются высокой
поверхностной площадью и возможностью функционализации.
- Металлоорганические каркасы (MOF): Включают
органические лиганды, связывающие металлические узлы, что позволяет
получать материалы с упорядоченной мезопористой структурой и
регулируемой функциональностью.
Классификация мезопористых материалов также может основываться на
типе пор:
- Цилиндрические поры: Прямолинейные каналы,
характерные для MCM-41.
- Конусовидные или бутылочные поры: Встречаются в
SBA-15, обеспечивая широкий диапазон диаметра и доступность активных
центров.
- Сферические ячейки: Характерны для мезопористого
кремнезёма типа MCM-48, создают трехмерную пористую сеть.
Методы синтеза
Синтез мезопористых материалов строится на контролируемом
самоорганизующем процессе с использованием шаблонных молекул, которые
определяют форму и размер пор:
- Соли-мишени и мягкие шаблоны: Используются
поведение амфифильных молекул (сурфактантов), формирующих мицеллы,
вокруг которых осаждается неорганическая матрица. Пример: синтез MCM-41
с использованием цетилтриметиламмоний бромида (CTAB).
- Жесткие шаблоны: Использование твердых частиц
(полистироловые сферы, коллоидные кристаллы) с последующим удалением для
формирования макропор с мезопористой поверхностью.
- Комбинированные методы: Совмещение мягких и жестких
шаблонов позволяет создавать иерархические пористые системы с
улучшенными транспортными свойствами.
Ключевым этапом является удаление шаблона, что достигается
термическим разложением или химическим выщелачиванием, при сохранении
пористой структуры.
Свойства мезопористых
материалов
Физические свойства:
- Высокая удельная поверхность: Часто превышает 1000
м²/г, что обеспечивает большие каталитические и сорбционные
возможности.
- Регулируемый размер пор: Позволяет контролировать
диффузию молекул и селективность реакций.
- Термостабильность: Особенно у кремнезёма и оксидов
алюминия, что позволяет их использование при высоких температурах.
Химические свойства:
- Поверхностная функционализация: Введение
гидроксильных, карбоксильных, аминных и тиольных групп позволяет
модифицировать адсорбционные и каталитические свойства.
- Кислотные и основные центры: Силіка может быть
модифицирована кислотами Льюиса и Бренстеда; оксиды металлов обладают
кислотно-основными свойствами.
- Стабильность в растворах: Мезопористые оксиды
устойчивы к окислителям, большинству органических растворителей и слабым
кислотам.
Применение в химии
Катализ:
- Мезопористые материалы применяются как катализаторы и носители
активных центров. Цилиндрические поры обеспечивают доступ к
каталитическим участкам для крупных органических молекул.
- Силіка MCM-41 и SBA-15 модифицированы металлами (Pt, Pd, Ti)
используются в реакциях гидрирования, окисления и кислотного
катализа.
Адсорбция и разделение:
- Высокая удельная поверхность и регулируемый размер пор обеспечивают
селективное поглощение молекул различной массы.
- Мезопористые оксиды применяются для очистки воды, удаления
органических загрязнителей и разделения газовых смесей.
Энергетика и хранение веществ:
- Мезопористые карбоны используются в суперконденсаторах и
аккумуляторах как материал для электродов.
- MOF с мезопорами обеспечивают эффективное хранение водорода и метана
за счёт высокоорганизованной пористой структуры.
Биомедицина:
- Доставка лекарственных средств: поры контролируют скорость
высвобождения молекул.
- Диагностика и биосенсоры: функционализированные поверхности
позволяют связывать специфические биомаркеры.
Методы характеризации
- Рентгеновская дифракция (XRD): Определяет
периодичность и упорядоченность пор.
- Газовая адсорбция (N₂, Ar): Позволяет определить
удельную поверхность, объём и распределение пор.
- Электронная микроскопия (TEM, SEM): Визуализация
формы и ориентации пор.
- Спектроскопия (FTIR, NMR): Характеризация
химической природы поверхности и функциональных групп.
Мезопористые материалы объединяют уникальные физико-химические
свойства с высокой адаптивностью структуры, что делает их ключевыми
объектами в современном материаловедении, каталитической химии,
энергетике и биомедицинских технологиях. Их исследование продолжается с
целью создания иерархических структур, комбинирующих мезо- и
макропористость, а также улучшенной функциональности поверхности.