Materiale mesoporoso

Un materiale mesoporoso è un materiale contenente pori di diametro compreso tra 2 e 50 nm, secondo la nomenclatura IUPAC. Per confronto, IUPAC definisce il materiale microporoso come un materiale con pori di diametro inferiore a 2 nm e il materiale macroporoso come un materiale con pori di diametro superiore a 50 nm.

Immagini al microscopio elettronico di carbonio mesoporoso ordinato contenente azoto (N-OMC) prese (a) in lunghezza e (b) perpendicolarmente alla direzione del canale.

I materiali mesoporosi tipici includono alcuni tipi di silice e allumina che hanno mesopori di dimensioni simili. Sono stati riportati anche ossidi mesoporosi di niobio, tantalio, titanio, zirconio, cerio e stagno. Tuttavia, il fiore all’occhiello dei materiali mesoporosi è il carbonio mesoporoso, che ha applicazioni dirette nei dispositivi di stoccaggio dell’energia. Il carbonio mesoporoso ha una porosità nella gamma dei mesopori e questo aumenta significativamente l’area superficiale specifica. Un altro materiale mesoporoso molto comune è il carbone attivo, che è generalmente composto da una struttura di carbonio con mesoporosità e microporosità, a seconda delle condizioni in cui è stato sintetizzato.

Secondo IUPAC, un materiale mesoporoso può essere disordinato o ordinato in una mesostruttura. Nei materiali cristallini ionorganici, la struttura mesoporosa limita significativamente il numero di unità reticolari, e questo cambia significativamente la chimica dello stato solido. Per esempio, le prestazioni delle batterie dei materiali elettroattivi mesoporosi sono significativamente diverse da quelle della loro struttura bulk.

Un procedimento per produrre materiali mesoporosi (silice) è stato brevettato intorno al 1970, e i metodi basati sul processo di Stöber del 1968 erano ancora in uso nel 2015. È passato quasi inosservato ed è stato riprodotto nel 1997. Le nanoparticelle di silice mesoporosa (MSN) sono state sintetizzate indipendentemente nel 1990 da ricercatori in Giappone. Successivamente, sono stati prodotti anche nei laboratori della Mobil Corporation e chiamati Mobil Crystalline Materials, o MCM-41. I metodi di sintesi iniziali non permettevano di controllare la qualità del livello di porosità secondaria generato. È stato solo attraverso l’uso di cationi di ammonio quaternario e agenti di silanizzazione durante la sintesi che i materiali hanno esibito un vero livello di porosità gerarchica e proprietà testuali migliorate.

Da allora, la ricerca in questo campo è cresciuta costantemente. Notevoli esempi di possibili applicazioni industriali sono la catalisi, l’assorbimento, il rilevamento di gas, lo scambio ionico, l’ottica e il fotovoltaico.

Si noti che questa mesoporosità si riferisce alla classificazione della porosità su scala nanometrica, e i mesopori possono essere definiti diversamente in altri contesti; per esempio, i mesopori sono definiti come cavità con dimensioni nell’intervallo di 30 μm-75 μm nel contesto di aggregazioni porose come il suolo.

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