Exploring the Effect of Porous Structure on Thermal Conductivity in Templated Mesoporous Silica Films

材料科学 正硅酸乙酯 介孔材料 热导率 无定形固体 介孔二氧化硅 多孔性 化学工程 纳米颗粒 介孔有机硅 纳米技术 复合材料 有机化学 化学 工程类 催化作用
作者
Yan Yan,Sophia C. King,Man Li,Tiphaine Galy,Michal Marszewski,Joon Sang Kang,Laurent Pilon,Yongjie Hu,Sarah H. Tolbert
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (35): 21721-21730 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b03767
摘要

This work elucidates the effect of porous structure on thermal conductivity of mesoporous amorphous silica. Sol–gel and nanoparticle-based mesoporous amorphous silica thin films were synthesized by evaporation-induced self-assembly using either tetraethyl orthosilicate or premade silica nanoparticles as the framework precursors with block copolymers Pluronic P123 or Pluronic F127 as template. The films were characterized with scanning- and transmission-electron microscopy, two-dimensional grazing-incidence small-angle X-ray scattering, ellipsometric porosimetry, and UV–vis reflectance spectroscopy. The thermal conductivity of the mesoporous films, at room temperature and in vacuum, was measured by time-domain thermoreflectance. The films were 150 to 800 nm thick with porosities ranging from 9% to 69%. Their pore diameters were between 3 and 19 nm, and their thermal conductivities varied between 0.07 and 0.66 W/m.K. The thermal conductivity decreased strongly with increasing porosity and was also affected by the structure of the silica framework (continuous or nanoparticulate) and the pore size. A simple porosity weighted effective medium approximation was used to explain the observed trend in thermal conductivity. These results give new insight into thermal transport in nanostructured materials, and suggest design rules of the nanoscale architecture to control the thermal conductivity of mesoporous materials for a wide range of applications.
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