סינתזה וFunctionalization של חומרים ננו-גרפן 3D: הרכבות מאקרו Aerogels גראפן וגראפן
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
מאמצים להרכיב גרפן למבנים מונוליטי תלת-ממדיים כבר הקשו על ידי העלות הגבוהה וprocessability העני של גרפן. בנוסף, רוב דיווחו מכלולי גרפן מוחזקים יחד דרך אינטראקציות פיזיות (למשל, כוחות אן דר ואלס) ולא קשרים כימיים, המגבילים את החוזק המכני שלהם ומוליכות. פרטי שיטת וידאו זה לאחרונה פיתחו אסטרטגיות לפברק, חומרי תפזורת המוני הפקה מבוססת גרפן נגזרים משני קצף פולימר או תחמוצת גרפן שכבה אחת. חומרים אלה כוללים בעיקר יריעות גרפן פרט מחוברות דרך linkers פחמן קשור קוולנטית. הם שומרים על התכונות החיוביות של גרפן כגון שטח פנים גבוה ומוליכות חשמלית ותרמית גבוהות, בשילוב עם מורפולוגיה מתכונן נקבובית וחוזק מכאני יוצא דופן וגמישות. שיטה סינתטית גמישה זה יכול להתארך עד הייצור של ננו-צינורות פולימר / פחמן (CNT)פולימר ד / תחמוצת גרפן (GO) חומרים מרוכבים. יתר על כן, functionalization פוסט-סינתטית נוספת עם anthraquinone מתואר, המאפשרת עלייה דרמטית בביצועי אחסון מטען ביישומי supercapacitor.
Introduction
מאז הבידוד של גראפן בשנת 2004, עניין 1 ברתימת התכונות הייחודיות שלה הוביל למאמץ אינטנסיבי מופנה כלפי גרפן הרכבה למבנים תלת-ממדיים, מונוליטי ששומרים על המאפיינים של יריעות גרפן פרט. 2-5 מאמצים אלה כבר הקשו על ידי עובדה שגרפן עצמו הוא יקר וזמן רב כדי לייצר ונוטה לצבור בפתרון, אשר מגביל את יכולת ההרחבה של חומרים הבוסס על אבני בניין גרפן. בנוסף, מכלולי גרפן מורכבים בדרך כלל מאינטראקציות פיזיות cross-linking (למשל, כוחות ואן דר וקירות) בין יריעות גרפן פרט, שהם הרבה פחות מוליך ומכאני חזקים יותר מקישורים צולבים קשר כימיים. המעבדה הלאומית לורנס ליברמור הייתה מעורבת בפיתוח של חומרים חדשים נקבוביים, בצפיפות נמוכה פחמן מאז 1980. 6 כמה אסטרטגיות זוהו לפברק המוני produחומרי cible מבוסס גרפן מונוליטי בתפזורת משני קצף בעלות נמוכה המופק פולימר פחמן, הנקראים aerogels גרפן (גז), 7, כמו גם על ידי cross-linking הישיר של תחמוצת גרפן גיליונות (GO), אשר נקראים מאקרו גרפן מכלולים (GMAs). 8,9 חומרים בתפזורת אלה ultrahigh שטח יש מוליכות חשמלית ותרמית גבוהות, חוזק מכאני יוצא דופן וגמישות, ומורפולוגיות נקבוביות מתכונן. גז וGMAs מצאו שירות במספר רב של יישומים, כולל חומרי אלקטרודה בsupercapacitors וסוללות נטענות, זרז מתקדם תומך, adsorbents, בידוד תרמי, חיישנים, והתפלה. 10
הסינתזה של aerogels גרפן מתחילה בפילמור סול-ג'ל של תמיסה מימית של resorcinol ופורמלדהיד ליצור ג'לי אורגני מאוד צולב. ג'לי אלה נשטפים עם מים ואצטון, אז מיובשת באמצעות CO 2 הסופר קריטי וpyrolyzed באניאווירת nert לתת aerogels פחמן עם שטח פנים נמוך יחסית ונפח נקבובית. aerogels פחמן מופעלים על ידי ההסרה מבוקרת של אטומי פחמן במצב חמצון קל (למשל, CO 2) כדי ליצור חומר צולבים מורכב משני nanoplatelets פחמן וגרפיט אמורפי, עם שטח פנים גבוהים יותר ומורפולוגיה נקבובית פתוחה. 7 יתרון ייחודי של סינתזת סול-ג'ל היא שהגז יכול להיות מפוברק במגוון רחב של צורות, פסלים כוללים וסרטים דקים, בהתאם לצרכים של היישום. צינורות פחמן 11 ו / או יריעות גרפן 12 ניתן לשלב גז על ידי כולל תוספים אלה בפתרון המבשר סול-ג'ל. זה יוצר מבנים מורכבים שבו כתוסף הופך להיות חלק ממבנה רשת פחמן הראשוני. בנוסף, יכולה להיות פונקציונליות מסגרת GA לאחר גזה / הפעלה או באמצעות שינוי של פני השטח airgel או באמצעות התצהיר של חומרים,למשל זרז חלקיקים, על מבנה המסגרת. 13
מקרו-מכלולי גרפן (GMAs) הוכנו על ידי ישירות cross-linking תחמוצת גרפן מושעה (GO) גיליונות, ניצול פונקציונלי הכימי הטבוע בם. 9 גיליונות GO מכילים מגוון של קבוצות פונקציונליות, כולל epoxide וmoieties הידרוקסיד, שיכול לשמש כ אתרים המקשרים צולבים כימיים. כמו בהכנת GA, התאסף GMAs הם supercritically מיובש לשמר את הרשת הנקבובית, אז pyrolized להפחית את קישורי צלב הכימיים לגשרי פחמן מוליך המספקים תמיכה מבנית להרכבה. בשל גשרי פחמן קוולנטיים בין יריעות גרפן, יש לי GMAs מוליכות חשמליות וקשיחות מכאנית שסדרי גודל גבוה יותר ממכלולי גרפן נוצרו עם cross-linking הפיזי. בנוסף, יש לי GMAs אזורי משטח מתקרבים השווי התיאורטי של גיליון גרפן יחיד. לא תרמית פוסט-סינטטיreatment בטמפרטורות גבוהות (> 1,050 מעלות צלזיוס) יכול לשפר משמעותי את crystallinity של GMAs, מוביל מוליכות לאף גבוהות יותר וmoduli של יאנג, כמו גם התנגדות חמצון תרמית טוב יותר. טיפול כימי 14 פוסט-סינטטי של GMAs עם מולקולות אורגניות חיזור-פעיל כגון anthraquinone יכול לשפר את יכולת אחסון מטען ביישומי supercapacitor. 15
תכונות החומר מתכונן הגז וGMAs הן, בין שאר, תוצאה של תנאים סינטטיים שונים בזהירות כגון ריכוזים מגיב וזרז, זמן ריפוי וטמפרטורה, תנאי ייבוש, ותהליכי גזה / הפעלה. 16 פרוטוקול וידאו מפורט זה נועדה לפתור אי בהירויות בשיטות שפורסמו, ולהנחות את החוקרים מנסים לשחזר את החומרים ותנאים.
Protocol
Representative Results
Discussion
חשוב לציין כי הנהלים המתוארים כאן הם רק נציג. התאמות רבות אפשריות לחומרי מנגינה ליישום ספציפי. לדוגמא, משתנה ריכוזי חומר מוצאים, תוך שמירה מתמדת יחס / פורמלדהיד (RF) resorcinol, יכול להיות השפעה על צפיפות החומר הסופית. טעינת זרז יכולה לשנות מורפולוגיה נקבובית, כמו טעינה ג?…
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).
