[发明专利]多孔固体材料和制备方法

说明书

提供了包括形成有序网络的多根互连的线(101、102)的多孔固体材料。多孔固体材料(100)的预定体积表面积为2m²/cm³至90m²/cm³，预定孔隙率为3％至90％，且电导率高于100S/cm。多孔固体材料(100)的预定体积表面积为3m²/cm³至72m³/cm³，预定孔隙率为80％＞至95％，且电导率高于100S/cm。多孔固体材料(100)的预定体积表面积为3m²/cm³至85m³/cm³，预定孔隙率为65％至90％，且电导率高于2000S/cm。提供制备该多孔固体材料(100)的方法。公开了包括该多孔固体材料(100)的装置。

技术领域

本公开涉及具有可控结构性质的多孔固体材料，例如，网格基固体材料。更具体地说，本公开涉及包括互连微结构或纳米结构(如互连微线或互连纳米线)的多孔固体材料。本公开还涉及用于制备该具有可控结构性质(例如，可控体积表面积、可控孔隙率和可控孔径)的固体多孔材料的方法。

背景技术

具有较大表面积的多孔材料对于广泛的应用(例如催化、过滤、感测或能量存储)具有吸引力。电绝缘材料(例如，金属有机骨架(MOF)或沸石)已被证实为对气体储存、化学分离或烃转化有吸引力的微孔介质。多孔导电材料(PCM)可以用作例如传感器、水电解器、燃料单电池或电池组的集电器。例如，该材料包括金属泡沫、金属(纳米)颗粒、金属海绵、炭黑、碳气凝胶、碳纤维或碳纳米管。

用于装置应用的多孔导电材料的相关特性或性质为：例如，其电导率、比表面积(重量比表面积[m²/g]或体积表面积[m²/cm³])、孔隙率、平均孔径、和结构完整性或稳健性。

例如，PCM的电导率决定了该材料对依赖于快速电子传递的电子装置(例如电池组、燃料单电池、传感器或超级电容器)的适用性。低电导率(因此的高电阻)可以在装置运行期间产生高功率损耗和过量生热，可能导致装置故障，例如，锂离子电池组的自燃。金属(例如铜或镍)就有非常高的10⁵S/cm量级电导率值，而碳材料(例如石墨)具有10²S/cm量级的电导率值。

PCM的电导率还与其孔隙率有关。例如，高孔隙率(例如90％至99％孔隙率)的金属泡沫与本体金属相比具有降低100倍至1000倍的电导率，例如，10²-10³S/cm。多孔碳材料(例如，压缩炭黑(例如，75％至90％孔隙率)、压缩碳纳米管(例如，80％至90％孔隙率)、压缩石墨烯(例如80％至90％孔隙率))显示出10^-2S/cm至1S/cm的传导率。

较高表面积的PCM可能导致较高的反应速率和较低的电极电阻。例如，具有高比表面积(例如30m^2/g至100m²/g)金属海绵(例如，拉尼镍(Raney nickel))在水电解或多相有机合成期间显示出高催化活性。高体积表面积(表示为材料每单位体积的标准化表面积)还使得PCM基装置的几何占地面积(geometrical footprint)下降，这对于例如微电子应用可能是有利的。

以％表示的材料孔隙率是材料内空体积的相对量。例如，当功能层沉积在PCM表面上时，高孔隙率是理想的。例如，在电池组使用泡沫作为集电器的情况下，泡沫的高孔隙率(通常为75％至98％)允许使电极组件中活性电极材料的体积增加，由此使装置的充电容量增加。作为另一实例，传感器电极的高孔隙率允许与感测组分相互作用的分析物的量增加，以提高装置的灵敏度。