二氧化硅材料因其獨te的多孔特性,在氣體分離和催化領域扮演重要角色。傳統(tǒng)研究認為,通過溶膠-凝膠法合成的無定形二氧化硅可形成微小孔隙(3埃左右),展現(xiàn)出“分子篩”效應,即僅允許氫氣、氦氣等小分子通過。然而,這些孔隙因尺寸過小(小于氮氣分子的3.6埃),常規(guī)氮氣吸附法難以精確檢測,導致其結構長期未被清晰解析。
早期研究依賴氣體滲透法推測孔隙尺寸,但需復雜步驟制備完整薄膜,且數(shù)據(jù)易受材料缺陷干擾。而氮氣吸附法雖廣泛應用,卻無法檢測小于3.6埃的孔隙。如何實現(xiàn)亞納米級孔隙的快速、無損表征,成為材料優(yōu)化的重要瓶頸。
澳大利亞與美、荷研究團隊于2008年在《Advance Function Material》提出新方法:利用正電子湮沒壽命譜技術(PALS),直接測量二氧化硅內部的孔隙結構。當正電子注入材料后,會被孔隙捕獲并停留更長時間,通過記錄這些“湮沒壽命”可反推孔隙尺寸。結合氣體滲透實驗,首ci驗證了無定形二氧化硅的三重孔隙結構:關鍵篩分孔(約3埃)、次生孔(約8埃)及大孔(約12埃)。例如,高溫處理(600°C)使關鍵孔隙從2.1埃膨脹至3.4埃,與氣體滲透測試的分子截留閾值一致。
研究發(fā)現(xiàn),二氧化硅內部孔隙的連通性直接決定氣體分離性能。通過調整合成配方(如SG2型材料),關鍵孔隙縮小至2.2埃,氫氣與二氧化碳的分離選擇性顯著提升至8.7倍。更關鍵的是,PALS技術還揭示了材料在高溫下的“熱膨脹”機制——隨硅氧烷網(wǎng)絡形成,孔隙逐漸擴大。這一結果解釋了長期觀察到的二氧化硅熱處理效應,并為材料穩(wěn)定性優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
該技術突破了傳統(tǒng)表征的局限,為二氧化硅分子篩的定制化設計打開新路徑。例如,碳模板的引入可強化大孔隔離,兼顧選擇性與耐水性;而不同溶膠配方的調整,則可針對特定氣體(如氫氣或二氧化碳)優(yōu)化分離效率。未來,此方法有望延伸至催化劑載體設計、藥物緩釋材料開發(fā)等領域,推動納米多孔材料的結構-性能關聯(lián)研究。
安徽核芯電子科技有限公司的DPLS-4000數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀,可復現(xiàn)上述研究的核心實驗:其時間分辨率達190皮秒,一鍵操作實現(xiàn)從0.5至100納米孔隙的無損檢測,適用于高校與企業(yè)研發(fā)。此外,DPLS-4000 F型號專為薄膜材料設計,支持微米級厚度樣品的表征,為新材料開發(fā)提供高效工具。
正電子湮沒技術為分子篩材料的微觀解析提供了新視角,將經(jīng)驗性制備升級為結構導向的精準設計。這場“窺見孔隙本質”的技術革命,不僅深化了學界對二氧化硅的理解,更為清潔能源與工業(yè)分離技術的革新奠定了基礎。
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