基于聚合物陶瓷前驱体的反应诱导相分离制备具有双连续和多级孔结构的碳化硅独柱石

  近年来,由于多孔陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、和优异的抗热震性等性能,以及特殊组成的多孔陶瓷还具有半导体特征和催化活性,因此被广泛的应用在能源、环保、化工和生物等领域,对国民经济的发展起到了重要的推动作用。由于多孔陶瓷的性能除了受其化学组成影响,更多是由孔的尺寸和形态决定,因此孔结构的调节是制备多孔陶瓷的关键因素。在以往的多孔陶瓷制备中,通常采用无机粉末烧结法、牺牲模板法、发泡法、冷冻干燥法、以及溶胶凝胶法等。在某些应用场景中,这些方法有着特定的优势,但对于从几纳米到几十微米范围内多孔尺寸和形态的调节,以上这些方法就显得力不从心。这一孔径范围面向催化剂/催化剂载体、过滤/吸附、以及复合材料等领域有着极为重要的应用。然而通过高分子的相分离方法恰恰可以制备上述孔径范围的多孔材料,并且可以利用不同的相分离机制对孔的微观形态进行调节。但如何将有机的高分子材料转变为无机的陶瓷,同时最大程度的保持孔的尺寸和形态,仍是研究人员所要面对的一个难题。

  在本工作中,研究人员以聚碳硅烷和二乙烯基苯为原料,通过热引发的硅氢加成反应,诱导相分离的产生,并利用聚丙烯来调节相分离的形貌以及缓解样品内部的应力,通过常压干燥即可制得如图1所示的具有独柱石形貌的有机多孔材料。后续热解、高温烧结、空气煅烧与刻蚀等步骤,最终得到纯净的多孔碳化硅独柱石。该样品具有连通的多级孔结构(图2)、大比表面积(101 m2/g)、低密度(0.7 g/cm3)、高孔隙率78%、以及优异的机械强度(压缩强度14 MPa),有望在金属陶瓷复合材料、气相催化、燃烧器、高温过滤和分离等领域发挥重要用途。   

图1.碳化硅独柱石的制备机理与路线

图2.碳化硅独柱石的SEM和TEM图片

  研究人员已就相关技术申请了国内专利,并且该成果已在《Journal of the American Ceramic Society》上发表。文章第一单位为华南理工大学,软物质科学与技术高等研究院博士后张勃兴为文章的第一作者,邱文丰教授和赵彤教授为共同通讯作者。 

  B. Zhang, Y. Zhang, Z. Luo, W. Han, W. Qiu,* T. Zhao,* Monolithic silicon carbide with interconnected and hierarchical pores fabricated by reaction‐induced phase separation, Journal of the American Ceramic Society 2018, DOI: 10.1111/jace.16263

  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jace.16263


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