Sintesi e funzionalizzazione di 3D Materials Nano-grafene: grafene Aerogels e grafene Assemblee Macro
Summary
This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.
Abstract
Gli sforzi per assemblare grafene in strutture monolitiche tridimensionali sono stati ostacolati dal costo elevato e la scarsa lavorabilità del grafene. Inoltre, la maggior parte ha riferito assemblee di grafene sono tenuti insieme attraverso interazioni fisiche (per esempio, forze di van der Waals) piuttosto che legami chimici, che limitano la loro resistenza meccanica e la conducibilità. Questo video dettagli metodo recentemente sviluppato strategie per fabbricare, prodotti sfusi basati su grafene mass-producibile derivanti sia da schiume polimeriche o singolo strato di ossido di grafene. Questi materiali sono costituiti principalmente da fogli di grafene individuali collegati tramite linker di carbonio legati covalentemente. Mantengono le proprietà favorevoli di grafene come elevata area superficiale ed elevata conducibilità elettrica e termica, combinata con sintonizzabile morfologia dei pori ed eccezionale resistenza meccanica e di elasticità. Questo metodo sintetico flessibile può essere esteso alla realizzazione di nanotubi polimero / carbonio (CNT) und polimero / ossido di grafene (GO) materiali compositi. Inoltre, ulteriore funzionalizzazione post-sintetico con antrachinone è descritto, che consente un notevole aumento delle prestazioni accumulo di carica in applicazioni supercondensatori.
Introduction
Dal momento che l'isolamento del grafene nel 2004, 1 interesse a sfruttare le sue proprietà uniche ha portato a sforzi intensi orientato verso l'assemblaggio di grafene in tre dimensioni, strutture monolitiche che conservano le proprietà dei fogli di grafene singoli. 2-5 Questi sforzi sono stati ostacolati dalla fatto che grafene sé è costoso e richiede tempo per produrre e tende ad aggregare in soluzione, che limita la scalabilità di materiali a base di blocchi di grafene. Inoltre, gruppi di grafene sono in genere costituiti da interazioni fisiche di cross-linking (ad esempio, le forze di van der Walls) tra i singoli fogli di grafene, che sono molto meno conduttivo e robustezza meccanica che chimica dei titoli di cross-link. Lawrence Livermore National Laboratory è stato coinvolto nello sviluppo di nuovi porosi, materiali di carbonio a bassa densità dal 1980. 6 Diverse strategie sono state individuate per fabbricare mass-produmateriali cible basati su grafene monolitiche di massa da entrambe le schiume a basso costo-polimero derivato di carbonio, che sono chiamati aerogel di grafene (gas), 7 nonché da cross-linking diretta di ossido di grafene (GO) fogli, che sono chiamati grafene macro gruppi (GMAS). 8,9 Questi materiali sfusi Superficie ultraelevati hanno elevate conducibilità elettrica e termica, eccezionale resistenza meccanica e di elasticità, e morfologie sintonizzabile pori. Gas e accordi di manutenzione hanno trovato utilità in numerose applicazioni, tra cui materiali per elettrodi in supercondensatori e batterie ricaricabili, catalizzatori avanzati supporti informatici, adsorbenti, isolamento termico, sensori e desalinizzazione. 10
La sintesi degli aerogel grafene inizia con sol-gel polimerizzazione di una soluzione acquosa di resorcinolo e formaldeide per generare gel organici altamente reticolati. Questi gel vengono lavati con acqua ed acetone, quindi essiccato con CO 2 supercritica e pirolizzati in un iatmosfera nert per dare aerogel di carbonio con zona relativamente basso superficie e il volume dei pori. Aerogel di carbonio sono attivati da rimozione controllata di atomi di carbonio inferiore a condizione ossidante lieve (ad esempio, CO 2) per formare un materiale reticolato composto sia nanoplatelets carbonio amorfo e grafite, con area superficiale superiore e aperta morfologia dei pori. 7 Un vantaggio unico la sintesi sol-gel è che il gas può essere fabbricato in una varietà di forme, tra monoliti e film sottili, a seconda delle esigenze dell'applicazione. I nanotubi di carbonio 11 e / o 12 fogli di grafene possono essere integrati in gas includendo questi additivi nella soluzione precursore sol-gel. Questo genera strutture composite in cui l'additivo diventa una parte della struttura di rete carbonio primario. Inoltre, la struttura può essere funzionalizzato GA dopo carbonizzazione / attivazione tramite la modifica della superficie aerogel o attraverso la deposizione di materiali,per esempio catalizzatori nanoparticelle, sulla struttura quadro. 13
Grafene macro-assiemi (GMAS) vengono preparate direttamente reticolazione ossido sospesa grafene (GO) fogli, approfittando della loro funzionalità chimica intrinseca. 9 fogli GO contengono una varietà di gruppi funzionali, tra epossido e frazioni idrossido, che può servire come siti reticolazione chimica. Come nella preparazione GA, assemblato accordi di manutenzione sono supercritically essiccato per preservare la rete porosa, quindi pirolizzati a ridurre i chimici legami incrociati in ponti conduttivi di carbonio che forniscono il supporto strutturale per l'assemblaggio. Grazie ai ponti covalenti carbonio tra fogli di grafene, accordi di manutenzione hanno conduttività elettriche e rigidità meccanica che sono ordini di grandezza superiore assiemi grafene formati con reticolazione fisica. Inoltre, accordi di manutenzione hanno superfici che si avvicinano il valore teorico di un singolo foglio di grafene. Post-sintetico t termicoRATTAMENTO a temperature elevate (> 1.050 ° C) può migliorare significativamente la cristallinità di accordi di manutenzione, portando conducibilità per ancora più elevati e moduli di Young e resistenza all'ossidazione termico migliore. trattamento chimico 14 post-sintetica di accordi di manutenzione con redox-attivi molecole organiche come antrachinone può migliorare la capacità di stoccaggio di carica in applicazioni supercondensatori. 15
Le proprietà del materiale sintonizzabile di gas e accordi di manutenzione sono, in parte, a seguito di accuratamente diverse condizioni sintetici come reagenti e catalizzatore concentrazioni, tempo di polimerizzazione e la temperatura, condizioni di essiccazione e processi di carbonizzazione / attivazione. 16 Questo protocollo video dettagliato mira a risolvere le ambiguità nei metodi pubblicati, e per guidare i ricercatori che tentano di riprodurre le condizioni materiali e.
Protocol
Representative Results
Discussion
E 'importante notare che le procedure descritte qui sono solo rappresentative. Molte regolazioni sono possibili per materiali sintonizzare per una specifica applicazione. Ad esempio, variando le concentrazioni materiale di partenza, mantenendo resorcina / formaldeide (RF) rapporto costante, può avere un impatto sulla densità del materiale finale. Catalyst carico può alterare poro morfologia, come un carico superiore nel procedimento RF porta a particelle primarie più piccole e viceversa. Tempo di attivazione pu?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344. IM release LLNL-JRNL-667016.
Materials
| Single Layer Graphene Oxide | Cheap Tubes | n/a | 300-800nm XY dimensions |
| single wall carbon nano tubes (SWCNTs) | Carbon Solutions | P2-SWNT | |
| resorcinol | aldrich | 398047-500G | |
| 37% formaldehyde solution in water | aldrich | 252549 | |
| acetic acid | aldrich | 320099 | |
| ammonium hydroxide solution 28-30% NH3 basis | aldrich | 320145 | |
| sodium carbonate | aldrich | 791768 | |
| anthraquinone | aldrich | a90004 | |
| Polaron supercritical dryer | Electron Microscopy Sciences | EMS 3100 | this is a representative model, any critical point dryer compatible with acetone should work |
References
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