CN107849724A

CN107849724A - 多孔材料及系统及其制造方法

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Publication number: CN107849724A
Application number: CN201480082484.7A
Authority: CN
Inventors: 林科闯; 黄苡叡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2018-03-27
Also published as: US20170218532A1; WO2016065560A1

Abstract

一种包含一大于10/毫米之比表面积之多孔材料，及用于制造该多孔材料之方法及系统。该多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100奈米且小于约5毫米。一包含该多孔材料之系统可被设计成一淡化系统、一超威气泡产生系统、一电容器系统，或一电池系统中之一者。

Description

多孔材料及系统及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种材料及系统及其制造方法，特别是指一种多孔材料及系统及其制造方法。

背景技术

诸如金属泡沫之多孔材料可具有高表面积对体积比，例如可以表示为，其中，为比表面积，d为平均孔洞直径，单位为毫米，θ为孔隙率。例如，对于d=0.01毫米，90%之孔隙率而言，比表面积为2425/毫米。多孔材料可展现出机械、声学、热学、光学、电气及化学性质而适用于各种应用。

习知金属泡沫可具有0.5~8毫米之孔洞尺寸。制造具有14~3100/毫米之比表面积之多孔块材是有可能的。然而，该等孔洞尺寸具有一大的变化量，例如大于100%。

发明内容

本发明是有关于用于制造具有高表面积对体积比之大尺寸多孔材料之制造系统及方法。

此处揭示的一些实施例可制造高表面积对体积比(surface-area-to-volumeratio)多孔薄膜，其具有一大于100平方厘米(诸如20厘米×20厘米)之表面积。该等孔洞之尺寸可以是例如约100纳米~5毫米。

此处揭示一能制造大尺寸高相对表面积多孔材料之制造系统。该系统可包括：一胶体颗粒模板形成部分，被设计来制造一胶体颗粒模板；一渗透部分，被设计来将一渗透物质渗入该胶体颗粒模板；及一模板移除部分，被设计来从该渗透物质移除该胶体颗粒模板以获得该巨型多孔材料(macroporous material)。

在一些实施例中，该颗粒模板形成部分包括一组装装置，其被设计来使带电颗粒自组装成一数组。该组装装置可包括一电泳槽、一直流电源供应器、一具有胶体悬浮液之泵系统、一参考电极，及一工作电极，其中，一包括悬浮的带电模板颗粒之电泳溶液被设置于该电泳槽中；该参考电极及该工作电极可被垂直地或水平地配置在该电泳槽中；以及该工作电极提供用于电泳地制造该颗粒模板之一表面。在一些实施例中，该等模板颗粒是胶体颗粒，且该产生的颗粒模板是一胶体颗粒模板。

在一些实施例中，在该胶体颗粒模板形成部分之后还提供一烘烤部分，以干燥由该胶体颗粒模板形成部分所制造的该胶体颗粒模板，藉以提高该胶体颗粒模板之机械强度。

在一些实施例中，一不对称电场可被用来制造一大尺寸多孔材料。在一些实施例中，该组装装置之参考电极及工作电极之配置方式可使得一不对称电场形成于该参考电极及该工作电极之间。此外，不对称电场亦可藉由将该参考电极之尺寸设定为大于或小于该工作电极之尺寸而达成。

在一些实施例中，该组装装置之该参考电极可为矩形或圆柱形。该组装装置之该工作电极可为由一金属板、一硅晶圆，或一铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，简称ITO)玻璃板所制成之一坚固平板导体(rigid planar conductor)。在一些实施例中，该工作电极可为一可挠性且可移动之导电卷带，或导电碳膜或碳管，例如用于卷带式(roll by roll)制程。该导电卷带可以例如为一ITO卷带、具有一ITO膜之可挠性的玻璃等。一防漏入口可被配制在该电泳槽之一侧壁上，使得该可挠性且可移动之导电卷带可进入该电泳槽，以提供藉由一组装过程来制造该胶体颗粒模板之一表面，因而该等表面带电颗粒可在该表面沉积以形成一数组。使用该可挠性且可移动之导电卷带作为该工作电极可使此一系统达到较高程度的自动化，且该等多孔材料可藉由卷带式制程来制造。

在一些其他实施例中，该工作电极是不需要的。例如，采用不需该导电卷带或基板的溶胶凝胶法(Sol-Gel)、化学气相沉积法(CVD)或是物理气相沉积法(PVD)，而该多孔材料便可以切割(slice by slice)方式来制造。

在一些实施例中，该渗透部分可以是一物理气相沉积装置、一化学气相沉积(CVD)装置、一溶胶凝胶装置，或一化学电镀装置。此外，该渗透部分可以是一电泳沉积(EPD)装置，其可包括一EPD槽、一直流电源供应器、一参考电极，及一工作电极，其中，一EPD溶液可被设置在该EPD槽中；以及该工作电极可被设计来运送该胶体颗粒模板，且还提供作为用于将该渗透物质电泳沉积在该EPD槽中的该胶体颗粒模板上之一表面。该直流电源之电压范围为约0.01伏特-500伏特，电场范围为约0.1-1000伏特/厘米。该电压或电场强度可基于该等胶体颗粒之尺寸而被选择。

在一些实施例中，该EPD装置之该工作电极可以是一坚固平板导体或一可挠性且可移动之导电带。在后者之情况下，一防漏入口及一防漏出口可被配置在该EPD槽之侧壁上，使得该可挠性且可移动之导电卷带可无泄漏地(leak-free)分别进入及离开该EPD槽。

在一些实施例中，该模板移除部分可以是一烘烤装置，其藉由加热使该胶体颗粒模板从该渗透物质移除。在一些其他实施例中，该模板移除部分可以是一化学蚀刻装置，其可包括一蚀刻槽，其内设置有一蚀刻溶液。该胶体颗粒模板可藉由该蚀刻溶液而被移除，而只保留该渗透物质。此外，当该系统中使用一可挠性且可移动之导电卷带时，该化学蚀刻装置可具有配置在该蚀刻槽之侧壁上的一防漏入口及一防漏出口，其使运送该胶体颗粒模板及该渗透物质之该可挠性且可移动之导电卷带可分别无泄漏地进入及离开该蚀刻槽。

在一些实施例中，该系统还可包括一被设计来将该渗透物质从该可挠性且可移动之导电卷带分离之装置，以获得该多孔材料并回收该可挠性且可移动之导电卷带。例如，一分割刀可被设置在该导电卷带及该多孔材料之间，且可分离该卷带及该多孔材料，使得该多孔材料在一第一滚动条处形成一卷膜，同时可利用一第二滚动条来回收该导电卷带。

此处也揭示一种使用前述系统来制造一多孔材料之方法。该方法可包括：步骤(1)，使用该胶体颗粒模板形成部分，从预备实质上均一的(例如，单一尺寸)胶体颗粒(例如就标准偏差而言，尺寸变化量小于±20%，诸如±10%)制造一胶体颗粒模板；步骤(2)，使用该渗透部分，将一渗透物质渗入该胶体颗粒模板；及步骤3)，使用该模板移除部分移除该模板，且最终获得该完整的渗透物质以作为该多孔材料。在一些情况下，该模板被称为一晶体模板，因为该等模板颗粒(例如胶体颗粒)是被密集堆积成一如晶体之结构(crystal-likestructure)。

在一些实施例中，该方法还可包括，在该步骤(1)之后且在该步骤(2)之前，使用一烘烤部分来立即地干燥该胶体颗粒模板，以提高该胶体颗粒模板之机械强度。例如，烘烤温度可为90-500℃，且可基于所使用的材料而调整。相对湿度可大于75，且烘烤时间可为约0.5-2小时。烘烤温度的范围是基于所使用的材料来选择。例如，对于聚苯乙烯而言，退火温度可为约90-100℃，且烘烤时间可为约30分钟。对于二氧化硅而言，退火温度可为约450-500℃，且烘烤时间可为约1.5小时。

在一些实施例中，该方法之步骤(1)可涉及使用如上所述的该组装装置作为该胶体颗粒模板形成部分，其中，一包括悬浮颗粒之电泳溶液可被置于该电泳槽中；该参考电极及该工作电极可被垂直地配置于该电泳槽中；该参考电极为圆柱形；该工作电极提供用于电泳地制造该胶体颗粒模板之一表面；以及在参考电极及该工作电极之间的一电场被设定在约0.05 V/cm–1000 V/cm之范围内。

在一些实施例中，该方法的步骤(1)中之该组装装置可使用一包括悬浮的胶体颗粒(诸如聚苯乙烯、二氧化硅及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))之乙醇溶液来电泳地制造对应的胶体颗粒模板。颗粒尺寸可在约100纳米-5毫米之范围内。该乙醇溶液的pH值可以在约4-9之范围内，并可以藉由添加氨水或是硝酸来调整。在一些其他实施例中，可以使用有机溶剂、水，或是水混和溶剂来替代乙醇。

在一些实施例中，该组装装置之该工作电极可以是选自于一金属板、一硅晶圆，或一铟锡氧化物(ITO)玻璃板之一坚固平板导体。

在一些实施例中，该组装装置之该工作电极可以是一可挠性及可移动的导电卷带，其可以是静止的，或者以100纳米/秒及10厘米/秒之间的速度移动。一防漏入口可被设置于该电泳槽之一侧壁，使得该可挠性及可移动的导电卷带可进入该电泳槽。

在一些实施例中，一物理气相沉积装置、一化学气相沉积装置、一溶胶凝胶装置，或是一化学电镀装置可被用来作为步骤(2)中之该渗透部分，以将一渗透物质渗入至步骤(1)中所制造的该胶体颗粒模板。

在一些实施例中，步骤(2)中的渗透可利用上述电泳沉积(EPD)装置来达成，其中：包括一渗透物质之该EPD溶液可被设置于该EPD槽中；运送该胶体颗粒模板之该工作电极可被设计来提供用于将该渗透物质电泳沉积在该EPD槽内的该胶体颗粒模板上之一表面。

在一些实施例中，使用于步骤(2)中的该EPD装置之该工作电极可以是一坚固平板导体，或一可挠性且可移动之导电卷带。在后者之情况下，一防漏入口及一防漏出口可被配置在该EPD槽之侧壁，使得该可挠性且可移动之导电卷带可无泄漏地分别进入及离开该EPD槽。

在一些实施例中，藉由步骤(2)中之EPD装置而渗入该胶体颗粒模板之该渗透物质可以是能进行氧化还原反应的金属离子，例如，Ni²⁺、诸如ZnO之陶瓷，或聚合物。可使用其他材料，诸如石墨、CeO₂、TiO₂、Cu₂O、RuO₂。诸如Ru、Cu、Ti、Al、Au、Ag、Pt等金属可以被用来进行氧化还原反应。乙醇溶液可被用来作为该EPD溶液。反应时间可基于电场强度来决定，例如约10秒-1小时。pH值可基于配方来决定，例如约4-9。该溶液可使用异丙醇(isopropylalcohol，简称IPA)、丙酮(ACE)等，或类似的有机溶剂，只要不会对该等胶体颗粒造成腐蚀即可。也可以使用水(H₂O)，但其pH值可能需要加以调整，且电场不应太强(例如小于2.5伏特/厘米)。

依据该胶体颗粒模板之成分，可使用不同方法及装置来移除步骤(3)中之该胶体颗粒模板。在一些实施例中，可使用一烘烤装置，藉由在约500℃加热运送该渗透物质之该胶体颗粒模板1-24小时来热移除该胶体颗粒模板，同时完整保留该渗透物质。所使用的材料可以是PS或PMMA。对于有机材料而言，可使用高温移除；对于以诸如SiO₂或ZnO之无机材料制成的胶体模板而言，可使用化学移除(例如缓冲氧化物蚀刻剂(Buffered OxideEtchant，BOE))。在一些其他实施例中，可使用一化学蚀刻装置，其中，运送该渗透物质之该胶体颗粒模板可浸泡于设置在一蚀刻槽内之一蚀刻溶液(例如0.01-3M的乙酸乙酯)中，以进行化学蚀刻而移除该胶体颗粒模板，同时仍完整保留该渗透物质。

在一化学蚀刻装置被用于步骤(3)中的一些实施例中，运送该胶体颗粒模板及该渗透物质之一可挠性及可移动之导电卷带可被使用且可经由配置在该蚀刻槽之侧壁上之一防漏入口及一防漏出口而进出该化学蚀刻装置。

在一些实施例中，该方法还可包括一在该步骤(3)之后将该渗透物质从该可挠性及可移动之导电卷带分离之步骤，藉以获得该多孔膜。例如，一分割刀可被设置于该卷带及该多孔膜之间以将它们分离，使得该多孔膜在该第一滚动条处形成一卷膜，并使用该第二滚动条来回收该卷带。

相较于现有制造诸如金属泡沫及纳米多孔材料之多孔材料的方法，此处所揭示的方法可具有以下优点中的一或数个：1)可达成具有大的相对表面积之大尺寸高度多孔材料。2)该等材料(例如多孔膜)可具有如同原子数组结构(atomic-array-likestructures)，其具有整齐排列的密集堆积孔洞或随机分布孔洞。在一些范例中，可达成具有一细微数组多孔结构(fine-array porous structure)之纳米多孔材料。

此种所制造的高度多孔材料/膜之孔洞尺寸可为约100纳米-5毫米，且晶粒区域(grain domain)约为5微米-5毫米。该等晶粒区域可以利用光学显微镜(OM)观察到是形成周期性或准周期性(quasi-periodic)结构之区域。类似于晶界的缺陷可存在于该等晶粒区域之间。该等晶粒区域之间的该等晶界可提供为该等多孔膜之机械强度之主要来源。

此处所揭示之方法可用以制造具有大于20厘米×20厘米之尺寸之大面积巨型多孔薄膜，其具有例如约为10厘米之厚度(取决于胶体颗粒尺寸)。可达成一相当大的表面积对体积比，其可表示为：

……………………………………(1)

其中，为比表面积，d为平均孔洞直径(单位为毫米)，θ为孔隙率。例如，对于d=0.01毫米，74%之孔隙率而言，比表面积可约为4100/毫米；对于d=0.001毫米而言，比表面积可约为41000/毫米。

在一些实施例中，可制造一具有三维(3D)结构之大块多孔材料。其是对比于以现有方法制造的多孔材料。现有金属泡沫一般具有大于500微米之孔洞尺寸，及约为14~3100/毫米之比表面积，且具有大的孔洞尺寸变化量(诸如大于100%)。

因此，此处所揭示之方法之优点在于，该等所制造的金属膜特别适用于催化作用以及其他需要具有大的相对表面积之材料之应用中。此外，有利的是，该等方法中的一些方法可以不受到用以制造金属泡沫之金属/合金之熔点所限制，因此可用来制造利用可进行氧化还原反应的金属离子之任何细微数组多孔膜。再者，在一些该等所制造的金属膜中金属成分之纯度可高达99.99%，这是用习知制造方法所制造的金属泡沫所没有的优点，是因为习知制造方法在金属熔化的过程中，常常会产生杂质。这项有利的特征也可大幅提升催化反应的效率。

在一些实施例中，多孔材料(例如细微数组多孔膜)之比表面积可大于10/毫米，在一些实施例中可大于3100/毫米，或者在一些实施例中，可大于4100/毫米(诸如约4108/毫米、约8217/毫米，或约41087/毫米)。同时，这些材料中的孔洞具有实质上均一的尺寸，诸如表示变化量之标准偏差小于20%，或者在一些实施例中变化量小于10%。

再者，在制造具有巨型多孔结构之材料时，该等方法中的一些是可视情况而有弹性的调整，其可使用各种沉积/渗透方法，诸如电沉积、PVD(物理气相沉积法)、CVD(化学气相沉积法)、Sol-Gel(溶胶凝胶法)，及化学电镀(诸如电镀、无电镀)，以使各种材料，诸如金属、大分子量聚合物，及陶瓷，进行渗透，。藉由简单地调整用来制造后续会被舍弃的胶体颗粒模板之颗粒的尺寸，使得制备各种孔洞尺寸之多孔材料的过程变得更加便利。

藉由选择具有不同形状及尺寸之组装装置工作电极，可方便地制造具有不同形状及尺寸之材料。藉由使用一可挠性及可移动之导电卷带，可大幅提升制造该等多孔材料之过程中的自动化程度以及制造效率。在此处所揭示的一些实施例中具有一密集堆积周期性细微数组多孔结构之大尺寸多孔材料可具有优异的机械、声学、热学、光学、电气及化学性质，且因而可用于各种应用，诸如催化剂、透析膜、热交换、能量储存、过滤，及组织工程。

在另一层面中，提供一包括该上述多孔材料之应用系统，其中，该系统被设计成一淡化装置、一超威气泡产生系统、一电容器系统，或一电池系统中之一者。

附图说明

本发明之其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1说明一金属泡沫之一OM(光学显微镜)影像。

图2是制造一习知多孔材料之方法之一流程图。

图3是一示意图，说明利用一可挠性且可移动导电卷带作为工作电极来制造一大尺寸巨型多孔膜之系统之一实施例。

图4A是一细微数组多孔结构之一SEM影像俯视图。

图4B是图4A中之该结构之一SEM影像侧视图。

图4C是图4A中之该结构之另一SEM影像侧视图。

图4D是堆栈的纳米球之一SEM影像俯视图。

图4E是反结构之低分辨率(200x)的SEM影像俯视图，其中，粗线描绘的部分显示出形成晶粒区域的晶界，其可以提供该多孔材料的机械强度。

图4F是图4E中之该结构之一放大视图(500x)。

图4G是图4E中之该结构之一放大倍率更高的放大视图(2500x)。

具体实施方式

一些制造高度多孔材料之方法可能是复杂且昂贵的，并且在制造具有高比表面积之高纯度多孔材料时可能会有困难。

图1说明一金属泡沫之微结构，该金属泡沫包含相互连接的金属韧带基质(matrixof metallic ligaments)101，该等金属韧带具有不同的长度与方位(orientations)，且在相邻金属韧带之间形成有不同形状与尺寸的个别空隙(孔洞)100。典型的金属泡沫之孔洞尺寸可为0.5-8毫米。

除了比面积以外，孔洞尺寸的均一性是另一个重要因素。如图1所示，习知金属泡沫之孔洞尺寸之变化量高达100%以上。

在此处揭示的一些实施例中，一制造系统可制造一具有优异性能之多孔材料。该系统可包括：一胶体颗粒模板形成部分，被设计来制造一胶体颗粒模板；一渗透部分，被设计来将一渗透物质渗入该胶体颗粒模板；以及一模板移除部分，被设计来移除该胶体颗粒模板并实质上完整保留该渗透物质。

图2说明在一些实施例中使用该系统制造一细微数组多孔材料的一步骤流程。该制造步骤可包括：步骤(1)，表面带电颗粒沉积以形成一数组(组装过程)；步骤(2)，沉积/渗透；以及步骤(3)，模板移除。该系统可包括数个分别实现该等步骤的部分(例如数个模块)310、320、330。一可移动的导电卷带可用来在每个槽的防水入口及出口之间输送该胶体颗粒模板。该等部分310、320、330可具有图3所示之功能，且其细节如以下所述。

图3说明一系统，且该系统在一些实施例中，是被设计来制造大面积、细微数组多孔膜。该系统可包括一电泳部分310、一沉积/渗透部分320，以及一胶体颗粒模板移除部分330。

该电泳部分310可包括一电泳槽311、一电源供应器312、一参考电极313、一工作电极314、一磁石搅拌器315、一防漏入口316及一烘箱/实时分析器(Real Time Analyzer，简称RTA)319。一包括一悬浮的单分散胶体纳米球之电泳溶液317可被设置于该电泳槽311内；该防漏入口316可被设置在该电泳槽311的侧壁；该工作电极314可包含一可移动的连续导电卷带318，其被设计来经由该防漏入口316进到该电泳槽311、提供用于在该电泳槽311中形成一胶体颗粒模板之一表面、若该胶体颗粒模板之电泳自组装已完成则移出该电泳槽311，以及输送该胶体颗粒模板经过该烘箱/RTA 319以进行干燥。

该沉积/渗透部分320可包括一沉积槽321、一电源供应器(图未示)、一直流电源、一参考电极323、一工作电极324、一防漏入口325，及一防漏出口326。一电沉积溶液327可被设置在该沉积/渗透槽内321中。该防漏入口325及该防漏出口326可分别被设置在该沉积槽321之两相反侧壁。

该工作电极324位于一电极位置，且该悬浮液327设置在该沉积槽321内并填充至覆盖该电极位置。来自于该电泳部分310并运送该干燥胶体颗粒模板之该卷带可经由该防漏入口325进入该沉积槽321中。在该沉积槽321中可提供用于在该胶体颗粒模板上形成一细微数组多孔膜之一表面。直到该细微数组多孔膜的沉积完成，该卷带可经由该防漏出口326被移出该电沉积槽321。

该胶体颗粒模板移除部分330可包含一蚀刻槽331、一防漏入口332及一防漏出口333。一蚀刻溶液334可被设置于该蚀刻槽331内。该防漏入口332及该防漏出口333可分别被设置在该蚀刻槽331之两相反侧壁。运送该胶体颗粒模板及该细微数组多孔膜且来自于该沉积部分320的该卷带可经由该防漏入口332被移入该蚀刻槽331以移除该胶体颗粒模板。当该胶体颗粒模板之蚀刻完成后，该卷带可经由该防漏出口333被移出该蚀刻槽331。在该卷带离开该蚀刻槽331后，被视为所请求保护的实施例之多孔材料或膜之该细微数组多孔膜335可与该连续导电卷带分离。

例如，一分割刀(图未示)可被设置在该导电卷带337及该多孔膜335间以将它们分离，使得该多孔膜335在一第一滚动条(图未示)处形成一卷膜，且一第二滚动条(图未示)被使用来回收该卷带337。

在一些实施例中，如图3所示的装置可被用来制造一具有一细微数组多孔结构之镍膜(Nickel film)。此制程可包括，例如，1)制备单分散的聚苯乙烯(PS)胶体悬浮液；2)组装PS胶体颗粒模板；3)进行镍电沉积；及4)藉由加热或使用乙酸乙酯进行蚀刻来移除PS纳米球模板。

相较于具有相当低的比表面积以及孔洞尺寸欠缺均一性之习知金属泡沫，本发明之细微数组多孔材料具有较大的比表面积，且其内的孔洞之尺寸高度均一。

以下表1比较了习知金属泡沫与本发明之细微数组多孔材料于方程式(1)中所定义的参数。如表1所示，细微数组多孔材料之比表面积可以高于3130/毫米，诸如高于4100/毫米。然而，细微数组多孔材料之比表面积也可以介于10/毫米及3130/毫米，而仍然具有金属泡沫所没有的可用于各种应用之优异特性。例如，在一些实施例中，具有>10/毫米的比表面积之细微数组多孔材料可具有非常均一的孔洞尺寸，诸如标准偏差<20%，或甚至<10%。

表1

图4A是一细微数组多孔结构之一SEM影像俯视图。

图4B是图4A中之该结构之一SEM影像侧视图。

图4C是图4A中之该结构之另一SEM影像侧视图。

图4D是堆栈的纳米球之一SEM影像俯视图。

图4F是图4E中之该结构之一放大视图(500x)。

图4G是图4E中之该结构之一放大倍率更高的放大视图(2500x)。

在一些实施例中，如图3所示之该装置可用来制造细微数组多孔ZnO膜。例如，其制作过程可包括：1)制备单分散的聚苯乙烯(PS)胶体悬浮液；2)组装PS胶体颗粒模板，并将该模板置于约90-100℃大气环境下进行干燥，例如历经约30分钟；3)在定电流(例如1 mA/cm²)、温度约70℃下，利用Zn(NO₃)₂电镀液进行ZnO之电沉积；及4)藉由在约500℃之环境下加热少于2小时来移除PS纳米球模板。因而，可制造出一具有可控制的复数周期性层(periodic layers)之良好数组多孔ZnO膜。

在一些实施例中，经由组装过程所形成的该胶体颗粒模板可以由聚苯乙烯(PS)、SiO₂、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，或者任何球状粉末物质制成，其颗粒尺寸介于约100纳米至5毫米，且直径变化量(例如标准偏差)是在约±20%内，最佳在约±10%内。例如，在一些实施例中，该颗粒尺寸约为200纳米±40纳米；在另一范例中，该颗粒尺寸约为300纳米±60纳米。该等颗粒可为球状，且可为空心或实心球。在一些其他实施例中，也可使用非球状。

在一些实施例中，所使用的溶液的pH值范围介于4-9，温度范围介于约-10～45℃，直流电场范围介于约0.1 V/cm-1 kV/cm，且电极尖端提取速度(electrode tip withdrawvelocity)范围介于约100 nm/sec - 10 cm/sec。

在一些实施例中，用于移除胶体颗粒模板的烘烤温度可取决于该纳米球材料，且可在该材料之玻璃转移温度之约±10%范围内。

在一些实施例中，该等细微数组多孔膜(平面/块状(monolithic))之晶粒区域可以在约5微米-5毫米的范围内，且孔洞尺寸可以在约100纳米-5毫米的范围内。

在一些实施例中，该溶液之密度可高于该等纳米球之密度，使得该等纳米球浮在该溶液上。或者，该溶液之密度可低于该等纳米球之密度，以使得该等纳米球可均匀地分散在该溶液中，其中，该液体可依据密度来挑选。

在一些实施例中，该组装装置可具有一垂直结构，因而可控制该膜的厚度，且可从该装置拆除该膜。

此处所揭示的多孔材料可用于许多领域的应用。例如，在一些实施例中，一净水器可使用一由本发明之多孔材料组成之滤心。该滤心可以是一膜，且如上所述的该多孔膜之该高表面积对体积比使得被污染的水可有效地被净化。

在一些其它实施例中，一海水淡化系统可使用一具有一高表面积对体积比之膜。该膜可有助于用于海水淡化的逆渗透或离子交换过程。

在一些其他实施例中，一超威气泡产生系统可使用一具有一高表面积对体积比之膜。该多孔结构可有助于在各种液体中产生气泡。

在另一些其他实施例中，一电容器或一电池可使用一具有一高表面积对体积比之多孔材料。本发明之多孔材料所提供的大表面积可使一电容器有较高的电容，或是可使一电池有较高的离子交换速率，以提升电池效率。

在一些其他实施例中，该等多孔材料可用于以下应用领域，诸如振动及声音吸收、冲击保护、热交换、膜、过滤、离子交换、光子、气体感测、催化作用、生物医学工程等。

虽然上面已经详细描述了具体实施例，但是描述仅仅是为了说明的目的。因此，应当理解，除非另有明确说明，否则上述许多方面不旨在作为必需或必要的要素。本领域普通技术人员可以对本示例性实施例的所公开的方面进行各种修改和等同的动作，除了上述内容之外，还可以在不脱离本在以下权利要求中限定的公开内容的精神和范围，其范围将被赋予最广泛的解释以包含这些修改和等效结构。

Claims

1.一种多孔材料，包含一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，该尺寸大于100纳米且小于5毫米。

2.如请求项1所述的多孔材料，其中，该多孔材料是无基板的膜。

3.如请求项1所述的多孔材料，包含数个填充一固态材料的晶界区域，以增加该多孔材料之一机械强度，其中，该比表面积大于4100/毫米，其中，该尺寸变化量小于约10%，且其中，该等晶界区域之尺寸为约5微米-15厘米。

4.一种系统，被设计来制造一多孔材料，该系统包含：

一颗粒模板形成部分，被设计来制造一颗粒模板；

一渗透部分，被设计来将一渗透物质渗入该颗粒模板；及

一模板移除部分，被设计来移除该颗粒模板并实质上完整保留该渗透物质，藉以形成一无基板的多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，其中，该多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于100纳米且小于5毫米。

5.如请求项4所述的系统，还包含一烘烤部分，该烘烤部分被设计来干燥透过该颗粒模板形成部分所制造的该颗粒模板，藉以提高该颗粒模板之机械强度。

6.如请求项5所述的系统，其中，该颗粒模板形成部分包括一电泳组装装置，该电泳组装装置包括：

一电泳槽；

一直流电源供应器；

一磁石搅拌器；

一参考电极；及

一工作电极；其中：

一包括悬浮颗粒之电泳溶液被设置于该电泳槽中；

该参考电极及该工作电极实质上是被垂直地配置在该电泳槽中；及

该工作电极提供用于电泳地制造该颗粒模板之一表面。

7.如请求项6所述的系统，其中，该参考电极为圆柱形，且是被设置邻近于一气-液接口，或者低于该接口0-5厘米。

8.如请求项7所述的系统，其中，该工作电极包括一可挠性且可移动之导电卷带，且一防漏入口被配置在该电泳槽之一侧壁上，因而该可挠性且可移动之导电卷带可进入该电泳槽中。

9.如请求项4所述的系统，其中，该渗透部分包括一电泳沉积(EPD)装置，该电泳沉积装置包括：

一电泳沉积槽；

一直流电源供应器；

一参考电极；及

一工作电极；其中：

一电泳沉积溶液被置于该电泳沉积槽中；及

该工作电极被设计来运送该胶体颗粒模板，该胶体颗粒模板提供用于将该渗透物质电泳沉积在该电泳沉积槽内的该胶体颗粒模板上之一表面。

10.如请求项4所述的系统，其中，该模板移除部分包括一化学蚀刻装置，该化学蚀刻装置包括内部设置有一蚀刻溶液之一蚀刻槽，藉此，该胶体颗粒模板被该蚀刻溶液移除，而只保留该渗透物质。

11.如请求项10所述的系统，其中，一防漏入口及一防漏出口被设置在该蚀刻槽的侧壁，并用于使一运送该胶体颗粒模板及该渗透物质之可挠性且可移动之导电卷带可无泄漏地分别进入及离开该蚀刻槽。

12.如请求项11所述的系统，还包含一分割刀，该分割刀被设计来将该渗透物质从该可挠性且可移动之导电卷带分离，以获得该多孔材料并回收该可挠性且可移动之导电卷带。

13.一种制造一多孔材料之方法，包含下列步骤：

以一颗粒模板形成部分，制造一颗粒模板；

以一渗透部分，将一渗透物质渗入该颗粒模板；及

以一模板移除部分，移除该颗粒模板，并完整保留该渗透物质，藉以形成一无基板之多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，其中，该多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于100纳米且小于5毫米。

14.如请求项13所述的方法，还包含，在该步骤(1)之后且在该步骤(2)之前，立即地烘烤该颗粒模板，以提高该颗粒模板之机械强度，其中该烘烤步骤在约90-500℃之温度、大于75之相对湿度下进行0.5-2小时。

15.如请求项14所述的方法，其中：

一包括悬浮胶体颗粒之电泳溶液被设置于一电泳槽中；

一参考电极及一工作电极实质上是被垂直地设置在该电泳槽中；

该参考电极为圆柱形；

该工作电极提供用于电泳地制造该颗粒模板之一表面；及

该参考电极及该工作电极之间的一电场是在0.1 V/cm-1000 V/cm之范围内。

16.如请求项15所述的方法，还包含，提供包括选自于聚苯乙烯、二氧化硅，或聚甲基丙烯酸甲酯之至少其中一者的一粉末物质的该等悬浮颗粒，其中，该粉末物质之颗粒尺寸为100纳米-5毫米，且其中，该电泳溶液包括一被设计来提供电荷至该等胶体颗粒之表面之离子溶液。

17.如请求项16所述的方法，其中，该电泳溶液包括pH值为约4-9的乙醇溶液、氨水/硝酸，或十二基硫酸钠(SDS)中之至少一者。

18.如请求项17所述的方法，其中，该工作电极是静止的，或是被设计来以100纳米/秒-10厘米/秒之速度移动。

19.如请求项13所述的方法，还包含，加热运送该渗透物质之该颗粒模板至约500℃并少于24小时，藉以热移除该颗粒模板，同时实质上完整保留该渗透物质，并且氧化金属结构表面，其中，该颗粒模板包括聚合物。

20.如请求项14所述的方法，还包含，化学移除该颗粒模板，同时实质上完整保留该渗透物质，并且避免金属结构表面氧化，且其中，该化学移除步骤包括，在40-80℃之温度下蚀刻1-4小时。

21.一种系统，包含请求项1所述的多孔材料，其中，该系统被设计成一淡化系统、一超威气泡产生系统、一电容器系统，或一电池系统中之一者。