التوليف وFunctionalization من 3D مواد النانو الجرافين: الجرافين Aerogels والجرافين جمعيات الكلية
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
تعرقلت جهود لتجميع الجرافين في هياكل متجانسة ثلاثية الأبعاد من التكلفة العالية والفقيرة للتجهيز من الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، فإن معظم التقارير وتعقد المجالس الجرافين معا من خلال التفاعلات الفيزيائية (على سبيل المثال، فان دير فال القوات) بدلا من الروابط الكيميائية، التي تحد من قوتها الميكانيكية والتوصيل. هذا الفيديو تفاصيل طريقة تم تطويرها مؤخرا استراتيجيات لافتعال، المواد السائبة القائم على الجرافين الكتلة producible المستمدة من أي الرغاوي البوليمر أو واحد أكسيد طبقة الجرافين. وتتكون هذه المواد أساسا من صحائف الجرافين الفردية على اتصال من خلال linkers الكربون مرتبطة تساهميا. أنها تحافظ على خصائص مواتية من الجرافين مثل مساحة عالية وعالية التوصيل الكهربائي والحراري، جنبا إلى جنب مع الانضباطي التشكل المسام وقوة ميكانيكية استثنائية ومرونة. هذه الطريقة الاصطناعية مرنة يمكن أن تمتد إلى تصنيع أنابيب البوليمر / الكربون (CNT) لد البوليمر / أكسيد الجرافين (GO) المواد المركبة. وعلاوة على ذلك، وصفت functionalization آخر الاصطناعية إضافي مع أنثراكوينون، والتي تمكن زيادة كبيرة في الأداء تخزين تهمة في supercapacitor تطبيقات.
Introduction
منذ عزل الجرافين في عام 2004، أدى 1 اهتمام في تسخير الخصائص الفريدة لجهود مكثفة موجهة نحو تجميع الجرافين إلى هياكل متجانسة ثلاثية الأبعاد التي تحتفظ خصائص صحائف الجرافين الفردية. تعرقلت 2-5 هذه الجهود حقيقة أن الجرافين نفسها مكلفة وتستغرق وقتا طويلا لإنتاج ويميل إلى تجميع في الحل، مما يحد من قابلية المواد التي تقوم على اللبنات الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، وعادة ما تتألف مجالس الجرافين من التفاعلات الجسدية عبر ربط (على سبيل المثال، القوات الجدران فان دير) بين صحائف الجرافين الفردية، التي هي أقل موصل قوي ميكانيكيا من السندات عبر الروابط الكيميائية بكثير و. وقد شاركت مختبر لورانس ليفرمور الوطني في تطوير الرواية التي يسهل اختراقها، ومواد الكربون المنخفض الكثافة منذ 1980s. وقد تم تحديد 6 عدة استراتيجيات لافتعال كتلة-الم Ùcible القائم على الجرافين المواد السائبة متجانسة من كلا منخفضة التكلفة المشتقة من البوليمر الرغاوي الكربون، والتي تسمى aerogels الجرافين (غاز)، 7 فضلا عن مباشرة عبر ربط أكسيد الجرافين (GO) ورقة، والتي تسمى الجرافين الاقتصاد الكلي التجمعات (غماس). 8،9 هذه المواد السائبة مساحة عالية جدا لها التوصيلات الكهربائية والحرارية العالية، قوة ميكانيكية استثنائية ومرونة، والأشكال التضاريسية الانضباطي المسام. وقد وجدت الغاز وغماس فائدة في العديد من التطبيقات بما في ذلك المواد الكهربائي في المكثفات الفائقة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن، ويدعم حافزا المتقدمة، الماصة، والعزل الحراري، وأجهزة الاستشعار، وتحلية المياه. 10
توليف aerogels الجرافين يبدأ مع سول-جل البلمرة من محلول مائي من الريسورسنول والفورمالديهايد لتوليد المواد الهلامية العضوية عالية عبر ربط. تغسل هذه المواد الهلامية بالماء والأسيتون، ثم تجفف باستخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج 2 وpyrolyzed في أناجو nert لإعطاء aerogels الكربون مع مساحة منخفضة نسبيا، وحجم المسام. يتم تنشيط aerogels الكربون عن طريق إزالة رقابة من ذرات الكربون تحت ظروف المؤكسدة خفيفة (على سبيل المثال، CO 2) لتشكيل المواد عبر ربط تتألف من كل من الكربون والجرافيت متبلور nanoplatelets، مع مساحة سطح أكبر والتشكل المسام المفتوحة. 7 وهناك ميزة فريدة من التوليف سول هلام هو أنه لا يمكن أن تكون ملفقة الغاز في مجموعة متنوعة من الأشكال، بما في ذلك كتل والأغشية الرقيقة، اعتمادا على احتياجات التطبيق. أنابيب الكربون النانوية 11 و / أو صحائف الجرافين 12 يمكن إدماج الغاز بما في ذلك تلك الإضافات في حل السلائف سول-جل. وهذا يولد هياكل المركب الذي يصبح المضافة جزءا من بنية الشبكة الكربون الأساسي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن functionalized إطار GA بعد تفحيم / التنشيط سواء عن طريق تعديل سطح ايروجيل أو من خلال ترسب المواد،على سبيل المثال حافزا النانوية، على هيكل الإطار. 13
يتم إعداد الجرافين-المجالس الكلي (غماس) من خلال مباشرة عبر ربط أكسيد علقت الجرافين (GO) ورقة، والاستفادة من وظائف الكيميائية الكامنة. 9 أوراق GO تحتوي على مجموعة متنوعة من المجموعات الوظيفية، بما في ذلك إيبوكسيد والأنصاف هيدروكسيد، التي يمكن أن تكون بمثابة عبر ربط المواقع الكيميائية. كما هو الحال في إعداد GA، وتجميعها غماس يتم تجفيفها supercritically للحفاظ على شبكة مسامية، ثم pyrolized للحد من الكيميائية وصلات العبور إلى الجسور الموصلة الكربون التي تقدم الدعم الهيكلي للجمعية. بسبب الجسور الكربون التساهمية بين صحائف الجرافين، غماس ديك التوصيلات الكهربائية والميكانيكية صلابة التي هي أوامر من حجم أعلى من المجالس الجرافين شكلت مع الجسدي عبر ربط. بالإضافة إلى ذلك، غماس دينا مساحات تقترب من القيمة النظرية ورقة الجرافين واحدة. ر الحراري بعد الاصطناعيةreatment في درجات حرارة مرتفعة (> 1050 ° C) يمكن أن تحسن بشكل كبير من التبلور من غماس، مما يؤدي التوصيلات إلى أعلى حتى والرجوعية الشباب وكذلك مقاومة التأكسد بشكل أفضل الحرارية. العلاج الكيميائي 14 آخر الاصطناعية من غماس مع الأكسدة الفعالة الجزيئات العضوية مثل أنثراكوينون يمكن أن تعزز قدرة تخزين تهمة في supercapacitor تطبيقات 15
خصائص المواد الانضباطي الغاز وغماس هي، في جزء منه، نتيجة لاختلاف بعناية الظروف الاصطناعية مثل كاشف ومحفز تركيزات، والوقت علاج ودرجة الحرارة وظروف التجفيف، وعمليات تفحيم / التنشيط. ويهدف 16 هذا البروتوكول فيديو تفصيلي لحل الغموض في الأساليب المنشورة، وتوجيه الباحثين محاولة لإعادة إنتاج المواد والظروف.
Protocol
Representative Results
Discussion
ومن المهم أن نلاحظ أن الإجراءات المبينة هنا هي الممثل الوحيد. العديد من التعديلات الممكنة على المواد لحن لتطبيق معين. على سبيل المثال، تتراوح تركيزات مادة أولية، مع الحفاظ الريسورسنول / الفورمالديهايد (RF) نسبة ثابتة، يمكن أن يكون لها تأثير على كثافة المواد النهائ?…
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
- Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
- Li, D., Kaner, R. B. Materials science. Graphene-based materials. Science. 320 (5880), 1170-1171 (2008).
- Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: a review of graphene. Chem. Rev. 110 (1), 132-145 (2010).
- Nardecchia, S., Carriazo, D., Ferrer, M. L., Gutiérrez, M. C., del Monte, ., F, Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications. Chem. Soc. Rev.. 42 (2), 794-830 (2013).
- Pekala, R. W. Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde. J. Mater. Sci. 24 (9), 3221-3227 (1989).
- Biener, J., Dasgupta, S., et al. Macroscopic 3D nanographene with dynamically tunable bulk properties. Adv. Mater. 24 (37), 5083-5087 (2012).
- Worsley, M. A., Olson, T. Y., et al. High Surface Area, sp 2-Cross-Linked Three-Dimensional Graphene Monoliths. J Phys. Chem. Lett. 2 (8), 921-925 (2011).
- Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., et al. Mechanically robust 3D graphene macroassembly with high surface area. Chem Commun. 48 (67), 8428-8430 (2012).
- Biener, J., Stadermann, M., et al. Advanced carbon aerogels for energy applications. Energ. Environ. Sci. 4 (3), 656-667 (2011).
- Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., Satcher, J. H., Hamza, A. V., Baumann, T. F. Mechanically robust and electrically conductive carbon nanotube foams. Appl. Phys. Lett. 94 (7), 073115 (2009).
- Worsley, M. A., Pauzauskie, P. J., Olson, T. Y., Biener, J., Satcher, J. H., Baumann, T. F. Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity. J. Am. Chem. Soc. 132 (40), 14067-14069 (2010).
- Fu, R., Baumann, T. F., Cronin, S., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M. S., Satcher, J. H. Formation of Graphitic Structures in Cobalt- and Nickel-Doped Carbon Aerogels. Langmuir. 21 (7), 2647-2651 (2005).
- Worsley, M. A., Pham, T. T., et al. Synthesis and Characterization of Highly Crystalline Graphene Aerogels. ACS Nano. 8 (10), 11013-11022 (2014).
- Campbell, P. G., Merrill, M. D., et al. Battery/supercapacitor hybrid via non-covalent functionalization of graphene macro-assemblies. J. Mater. Chem. A. 2, 17764-17770 (2014).
- Worsley, M. A., Charnvanichborikarn, S., et al. Toward Macroscale, Isotropic Carbons with Graphene-Sheet-Like Electrical and Mechanical Properties. Adv. Funct. Mater. 24 (27), 4259-4264 (2014).
- Baumann, T. F., Worsley, M. A., Han, T. Y. -. J., Satcher, J. H. High surface area carbon aerogel monoliths with hierarchical porosity. J. Non-Cryst. Solids. 354 (29), 3513-3515 (2008).
- Baumann, T. F., Satcher, J. H. Template-directed synthesis of periodic macroporous organic and carbon aerogels. J. Non-Cryst. Solids. 350, 120-125 (2004).
- Braff, W. A., Bazant, M. Z., Buie, C. R. Membrane-less hydrogen bromine flow battery. Nat. Comms. 4, 1-6 (2013).
- Zhu, C., Han, T. Y., Duoss, E. B., Golobic, A. M., Kuntz, J. D., Spadaccini, C. M., Worsley, M. A. Highly compressible 3D periodic graphene aerogel microlattices. Nat Comms. 6, (2015).
- Worsley, M. A., Shin, S. J., Merrill, M. D., Lenhardt, J., Nelson, A. J., Woo, L. Y., Gash, A. E., Baumann, T. F., Orme, C. A. Ultra-Low Density, Monolithic WS2, MoS2, and MoS2 Graphene Aerogels. ACS Nano. 9 (5), 4698-4705 (2015).
