Synthèse et fonctionnalisation des matériaux 3D Nano-graphène graphène: aérogels et graphène assemblées Macro

Depuis l'isolement du graphène en 2004, ¹ intérêts dans l'exploitation de ses propriétés uniques a conduit à un effort intense dirigée vers le graphène, assembler en structures monolithiques en trois dimensions qui conservent les propriétés des feuilles de graphène individuels. ^2-5 Ces efforts ont été entravés par le fait que le graphène lui-même est coûteux et fastidieux à produire et tend à agréger en solution, ce qui limite l'évolutivité de matériaux à base de blocs de construction graphène. En outre, les assemblages de graphène sont généralement constitués d'interactions physiques de réticulation (par exemple, van der Walls forces) entre les feuilles de graphène individuels, qui sont beaucoup moins conductrice et mécaniquement robuste que obligataires liens croisés chimiques. Lawrence Livermore National Laboratory a été impliqué dans le développement de nouveaux matériaux poreux, de carbone à faible densité depuis les années 1980. ⁶ Plusieurs stratégies ont été identifiées pour fabriquer en masse produmonolithiques matériaux à base de graphène-cible en vrac de deux mousses à faible coût polymère dérivé carbone, qui sont appelés aérogels de graphène (gaz), ⁷ ainsi que par réticulation directe de l'oxyde de graphène (GO) feuilles, qui sont appelés graphène macro- ensembles (GMA). ^8,9 Ces matériaux ultra-hautes en vrac de surface ont des conductivités électriques et thermiques élevées, la résistance mécanique et l'élasticité exceptionnelle, et des morphologies accordable de pores. Gaz et GMA ont trouvé une utilité dans de nombreuses applications y compris les matériaux d'électrode dans des supercondensateurs et des batteries rechargeables, catalyseur Advanced prend en charge, des adsorbants, isolation thermique, de capteurs et de dessalement. ¹⁰

La synthèse des aérogels de graphène commence par polymérisation sol-gel d'une solution aqueuse de résorcinol et de formaldéhyde pour produire des gels organiques hautement réticulés. Ces gels sont lavés avec de l'eau et de l'acétone, puis séché en utilisant _du CO 2 supercritique et pyrolysés dans une iatmosphère d'nert pour donner aérogels de carbone relativement faible surface spécifique et le volume des pores. Des aérogels de carbone sont activées par un prélèvement contrôlé d'atomes de carbone dans des conditions de oxydant doux (par exemple, CO ₂₎ pour former un matériau réticulé composé de deux nanoplaquettes de carbone et de graphite amorphes, avec une plus grande aire de surface et ouvert morphologie des pores. ⁷ Un avantage unique de la synthèse sol-gel est que le gaz peut être fabriqué dans une variété de formes, y compris des monolithes et des couches minces, en fonction des besoins de l'application. Les nanotubes de carbone ^{11 et} / ou des feuilles de graphène ¹² peuvent être intégrés en gaz par l'inclusion de ces additifs dans la solution de précurseur sol-gel. Cela génère des structures composites dans lequel l'additif devient une partie de la structure du réseau de carbone primaire. En outre, le cadre peut être fonctionnalisé GA après carbonisation / activation soit par modification de la surface de l'aérogel ou par dépôt de matériaux,par exemple des nanoparticules de catalyseur, sur la structure de cadre. ¹³

Graphène macro-ensembles (GMA) sont préparés par directement réticulation oxyde suspendu de graphène (GO) de feuilles, profitant de leur fonctionnalité chimique inhérente. ^{9 feuilles} de GO contiennent une variété de groupes fonctionnels, y compris époxyde et groupements hydroxyde, qui peut servir de les sites de reticulation chimiques. Comme dans la préparation GA, assemblé GMA sont supercritique séché pour préserver le réseau poreux, puis pyrolyse pour réduire les liaisons croisées de produits chimiques dans les ponts de carbone conductrices qui fournissent un soutien structurel pour l'assemblage. En raison des ponts de carbone covalentes entre les feuilles de graphène, GMA ont des conductivités électriques et rigidité mécanique qui sont des ordres de grandeur supérieure à celle des assemblages formés de graphène avec réticulation physique. En outre, GMA ont une surface approchant la valeur théorique d'une feuille de graphène unique. Post-t synthétique thermiqueraitement à des températures élevées (> 1 050 ° C) peut améliorer de manière significative la cristallinité des GMA, leader conductivités même à la hausse et les modules d'Jeune ainsi que la résistance à l'oxydation thermique meilleure. traitement chimique ¹⁴ post-synthétique de GMA avec des molécules organiques redox-actifs tels que anthraquinone peut accroître la capacité de stockage de charge dans les applications de supercondensateurs. ¹⁵

Les propriétés du matériau accordable de gaz et de GMA sont, en partie, à la suite de soin différentes conditions de synthèse tels que les réactifs et les concentrations de catalyseur, le temps de la guérison et de la température, les conditions de séchage, et les processus de carbonisation / d'activation. ¹⁶ Ce protocole vidéo détaillée vise à résoudre les ambiguïtés dans les méthodes publiées, et de guider les chercheurs qui tentent de reproduire les matériaux et les conditions.