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Material mesoporoso

Imágenes de microscopía electrónica de carbono mesoporoso ordenado que contiene nitrógeno (N-OMC) tomadas (a) a lo largo y (b) perpendicularmente a la dirección del canal. [1]

Un material mesoporoso (o supernanoporoso [2] ) es un material nanoporoso que contiene poros con diámetros entre 2 y 50 nm, según la nomenclatura IUPAC . [3] A modo de comparación, la IUPAC define el material microporoso como un material que tiene poros de diámetro menor a 2 nm y el material macroporoso como un material que tiene poros de diámetro mayor a 50 nm.

Los materiales mesoporosos típicos incluyen algunos tipos de sílice y alúmina que tienen mesoporos de tamaño similar. También se han reportado óxidos mesoporosos de niobio , tantalio , titanio , circonio , cerio y estaño . Sin embargo, el buque insignia de los materiales mesoporosos es el carbón mesoporoso, que tiene aplicaciones directas en dispositivos de almacenamiento de energía. [4] El carbón mesoporoso tiene porosidad dentro del rango de mesoporos y esto aumenta significativamente el área de superficie específica. Otro material mesoporoso muy común es el carbón activado que generalmente está compuesto de una estructura de carbono con mesoporosidad y microporosidad dependiendo de las condiciones en las que se sintetizó.

Según la IUPAC, un material mesoporoso puede estar desordenado u ordenado en una mesoestructura. En los materiales inorgánicos cristalinos, la estructura mesoporosa limita notablemente el número de unidades reticulares, y esto cambia significativamente la química del estado sólido. Por ejemplo, el rendimiento de la batería de los materiales electroactivos mesoporosos es significativamente diferente al de su estructura en masa. [5]

Un procedimiento para producir materiales mesoporosos (sílice) fue patentado alrededor de 1970, [6] [7] [8] y los métodos basados ​​en el proceso Stöber de 1968 [9] todavía estaban en uso en 2015. [10] Pasó casi desapercibido [11] y fue reproducido en 1997. [12] Las nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN) fueron sintetizadas de forma independiente en 1990 por investigadores en Japón. [13] Posteriormente se produjeron también en los laboratorios de Mobil Corporation [14] y se denominaron Mobil Crystalline Materials o MCM-41. [15] Los métodos sintéticos iniciales no permitieron controlar la calidad del nivel secundario de porosidad generado. Fue solo empleando cationes de amonio cuaternario y agentes de silanización durante la síntesis que los materiales exhibieron un verdadero nivel de porosidad jerárquica y propiedades texturales mejoradas. [16] [17] También se han producido materiales mesoporosos en forma de películas delgadas mediante autoensamblaje inducido por evaporación, en diferentes mesoestructuras y composiciones organizadas. [18]

Desde entonces, la investigación en este campo ha crecido de manera constante. Ejemplos notables de posibles aplicaciones industriales son la catálisis , la sorción, la detección de gases, las baterías, [19] el intercambio iónico, la óptica y la energía fotovoltaica . En el campo de la catálisis, las zeolitas son un tema emergente en el que se estudia la mesoporosidad en función del catalizador para mejorar su rendimiento para su uso en el craqueo catalítico de fluidos .

Se debe tener en cuenta que esta mesoporosidad se refiere a la clasificación de la porosidad a nanoescala, y los mesoporos pueden definirse de manera diferente en otros contextos; por ejemplo, los mesoporos se definen como cavidades con tamaños en el rango de 30 μm–75 μm en el contexto de agregaciones porosas como el suelo. [20]

Véase también

Referencias

  1. ^ Guo, M.; Wang, H.; Huang, D.; Han, Z.; Li, Q.; Wang, X.; Chen, J. (2014). "Biosensor amperométrico de catecol basado en lacasa inmovilizada en una matriz de carbono mesoporoso ordenado (N-OMC)/PVA dopada con nitrógeno". Ciencia y tecnología de materiales avanzados . 15 (3): 035005. Bibcode :2014STAdM..15c5005G. doi :10.1088/1468-6996/15/3/035005. PMC  5090526 . PMID  27877681.
  2. ^ Mays, TJ (1 de enero de 2007). "Una nueva clasificación de los tamaños de poro". Estudios en ciencia de superficies y catálisis . 160 : 57–62. doi :10.1016/S0167-2991(07)80009-7. ISBN 9780444520227. ISSN  0167-2991.
  3. ^ Rouquerol, J.; Avnir, D.; Fairbridge, CW; Everett, DH; Haynes, JM; Pernicone, N.; Ramsay, JDF; Sing, KSW; Unger, KK (1994). "Recomendaciones para la caracterización de sólidos porosos (Informe técnico)". Química pura y aplicada . 66 (8): 1739–1758. doi : 10.1351/pac199466081739 . S2CID  18789898.
  4. ^ Eftekhari, Ali; Zhaoyang, Fan (2017). "Carbón mesoporoso ordenado y sus aplicaciones para el almacenamiento y conversión de energía electroquímica". Fronteras de la química de materiales . 1 (6): 1001–1027. doi :10.1039/C6QM00298F.
  5. ^ Eftekhari, Ali (2017). "Materiales mesoporosos ordenados para baterías de iones de litio". Materiales microporosos y mesoporosos . 243 : 355–369. Código Bibliográfico :2017MicMM.243..355E. doi :10.1016/j.micromeso.2017.02.055.
  6. ^ Chiola, V.; Ritsko, JE y Vanderpool, CD "Proceso para producir sílice de baja densidad aparente". Solicitud n.º US 3556725D A presentada el 26 de febrero de 1969; publicación n.º US 3556725 A publicada el 19 de enero de 1971
  7. ^ "Partículas de sílice porosas que contienen una fase cristalizada y método" Solicitud n.º US 3493341D A presentada el 23 de enero de 1967; Publicación n.º US 3493341 A publicada el 3 de febrero de 1970
  8. ^ "Proceso para producir sílice en forma de esferas huecas"; Solicitud N° US 342525 A presentada el 04-Feb-1964; Publicación N° US 3383172 A publicada el 14-May-1968
  9. ^ Stöber, Werner; Fink, Arthur; Bohn, Ernst (1968). "Crecimiento controlado de esferas de sílice monodispersas en el rango de tamaño micrométrico". Journal of Colloid and Interface Science . 26 (1): 62–69. Bibcode :1968JCIS...26...62S. doi :10.1016/0021-9797(68)90272-5.
  10. ^ Kicklebick, Guido (2015). "Nanopartículas y materiales compuestos". En Levy, David; Zayat, Marcos (eds.). The Sol-Gel Handbook: Síntesis, caracterización y aplicaciones . Vol. 3. John Wiley & Sons . págs. 227–244. ISBN 9783527334865.
  11. ^ Xu, Ruren; Pang, Wenqin y Yu, Jihong (2007). Química de zeolitas y materiales porosos relacionados: síntesis y estructura. Wiley-Interscience . p. 472. ISBN 978-0-470-82233-3.
  12. ^ Direnzo, F; Cambon, H; Dutartre, R (1997). "Una síntesis de sílice mesoporosa con plantilla micelar de hace 28 años". Materiales microporosos . 10 (4–6): 283. doi :10.1016/S0927-6513(97)00028-X.
  13. ^ Yanagisawa, Tsuneo; Shimizu, Toshio; Kuroda, Kazuyuki; Kato, Chuzo (1990). "La preparación de complejos de alquiltrimetilamonio-kanemita y su conversión en materiales microporosos". Boletín de la Sociedad Química de Japón . 63 (4): 988. doi : 10.1246/bcsj.63.988 .
  14. ^ Beck, JS; Vartuli, JC; Roth, WJ; Leonowicz, ME; Kresge, CT; Schmitt, KD; Chu, CTW; Olson, DH; Sheppard, EW (1992). "Una nueva familia de tamices moleculares mesoporosos preparados con plantillas de cristal líquido". Journal of the American Chemical Society . 114 (27): 10834. doi :10.1021/ja00053a020.
  15. ^ Trewyn, BG; Slowing, II; Giri, S.; Chen, HT; Lin, VS -Y. (2007). "Síntesis y funcionalización de una nanopartícula de sílice mesoporosa basada en el proceso sol-gel y aplicaciones en liberación controlada". Accounts of Chemical Research . 40 (9): 846–53. doi :10.1021/ar600032u. PMID  17645305.
  16. ^ Perez-Ramirez, J.; Christensen, CH; Egeblad, K.; Christensen, CH; Groen, JC (2008). "Zeolitas jerárquicas: utilización mejorada de cristales microporosos en catálisis mediante avances en el diseño de materiales". Chem. Soc . Rev. 37 (11): 2530–2542. doi :10.1039/b809030k. PMID  18949124.
  17. ^ Perez-Ramirez, J.; Verboekend, D. (2011). "Diseño de catalizadores zeolíticos jerárquicos por desilicatación". Catal. Sci. Technol . 1 (6): 879–890. doi :10.1039/C1CY00150G. hdl : 20.500.11850/212833 .
  18. ^ Innocenzi, Plinio (2022). Películas de sílice ordenadas mesoporosas. Del autoensamblaje al orden . Springer. ISBN 978-3-030-89535-8.
  19. ^ Stein, Andreas (2020). Gitis, Vitaly; Rothenberg, Gadi (eds.). Manual de materiales porosos. Vol. 4. Singapur: WORLD SCIENTIFIC. doi :10.1142/11909. ISBN 978-981-12-2322-8.
  20. ^ Comité de términos del glosario de la ciencia del suelo (2008). Glosario de términos de la ciencia del suelo 2008. Madison, WI: Soil Science Society of America. ISBN 978-0-89118-851-3.
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