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Regulating Confined Phase Transition in Nanopores for Accelerating the Freeze-Drying Preparation of Mesoporous Silica Aerogels

纳米孔 材料科学 介孔材料 介孔二氧化硅 化学工程 吸附 相变 多孔性 气凝胶 共晶体系 相(物质) 纳米孔 动力学 表面能 多孔介质 纳米技术 硅酸铝 比表面积 图层(电子) MCM-41 表面改性 表征(材料科学)
作者
Qianqian Pan,Qing Liu,Y C Shi,Danlong Yang,Yangeng Lan,Tao Wang
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:42 (1): 1463-1473
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c05440
摘要

Freeze-drying has emerged as a viable drying technique for highly mesoporous aerogels due to its simplicity, safety, and sustainability, but it still struggles with prolonged processing cycles. Herein, we report a freeze-drying acceleration approach based on the regulation of a confined liquid-solid phase transition in nanopores by surface modification. Using silica gels as model systems, the interactions between pore walls and pore liquids were systematically modulated through the methylation of surface hydroxyl groups. Through surface methylation, the adsorption energy of water on pore walls was significantly reduced (from -109.5 to -68.7 kcal mol-1), while the phase transition enthalpy of the pore-confined solution was increased (from 221.71 to 242.63 J g-1). Multiscale characterization and simulations further revealed that this modification strategy effectively weakened interfacial interactions, thereby reducing the thickness of the adsorption-induced confined layer (from 0.365 to 0.269 nm). The effects of the confined liquid-solid phase transition on both the drying kinetics and the pore structure of aerogels were investigated. The optimized process achieves a 75% reduction in the freeze-drying time while preserving the mesoporous structure integrity. Furthermore, the surface methylation engineered the pore architecture by modifying confined liquids' eutectic dynamics. This novel approach offers new perspectives for the scalable and green production of functional porous materials.
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