Ordered Mesoporous to Macroporous Oxides with Tunable Isomorphic Architectures: Solution Criteria for Persistent Micelle Templates

胶束 材料科学 介孔材料 共聚物 模板 聚合物 纳米结构 氧化物 纳米技术 化学工程 多孔性 环氧乙烷 丙烯酸酯 水溶液 催化作用 复合材料 有机化学 化学 冶金 工程类
作者
Hasala N. Lokupitiya,Alexis Jones,Barry Reid,Stefan Guldin,Morgan Stefik
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:28 (6): 1653-1667 被引量:71
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5b04407
摘要

Porous and nanoscale architectures of inorganic materials have become crucial for a range of energy and catalysis applications, where the ability to control the morphology largely determines the transport characteristics and device performance. Despite the availability of a range of block copolymer self-assembly methods, the conditions for tuning the key architectural features such as the inorganic wall-thickness have remained elusive. Toward this end, we have developed solution processing guidelines that enable isomorphic nanostructures with tunable wall-thickness. A new poly(ethylene oxide-b-hexyl acrylate) (PEO-b-PHA) structure-directing agent (SDA) was used to demonstrate the key solution design criteria. Specifically, the use of a polymer with a high Flory–Huggins effective interaction parameter, χ, and appropriate solution conditions leads to the kinetic entrapment of persistent micelle templates (PMT) for tunable isomorphic architectures. Solubility parameters are used to predict conditions for maintaining persistent micelle sizes despite changing equilibrium conditions. Here, the use of different inorganic loadings controls the inorganic wall-thickness with constant pore size. This versatile method enabled a record 55 nm oxide wall-thickness from micelle coassembly as well as the seamless transition from mesoporous materials to macroporous materials by varying the polymer molar mass and solution conditions. The processing guidelines are generalizable and were elaborated with three inorganic systems, including Nb2O5, WO3, and SiO2, that were thermally stable to 600 °C for access to crystalline materials.
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