Синтез и Функционализация 3D нано-графена материалов: графена АЭРОГЕЛЕЙ и графена Макро Ассамблей
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
Усилия, чтобы собрать графена в трехмерных монолитных конструкций были затруднены высокой стоимости и плохой технологичности графена. Кроме того, большинство из них сообщили графена сборки проводятся вместе через физические взаимодействия (например, ван-дер-Ваальса), а не химических связей, которые ограничивают их механическую прочность и электропроводность. Это видео подробно метод недавно разработали стратегии для изготовления массовых-производимой, на основе графена сыпучих материалов, полученных либо из полимерных пен или одного оксида графена слой. Эти материалы состоят в основном из отдельных листов графена, подключенных через ковалентно связанных углерода линкеров. Они утверждают, благоприятные свойства графена, такие как большой площадью поверхности и высокой электро- и теплопроводностью, в сочетании с перестраиваемой морфологией пор и исключительной механической прочностью и эластичностью. Эта гибкая синтетическая метод может быть продлен до изготовления полимер / УНТ (углерода) ап УНТд полимер / оксид графена (GO) композитные материалы. Кроме того, дополнительный пост-синтетической функционализации с антрахинона описано, что позволяет резкое увеличение производительности хранения заряда в суперконденсаторных приложений.
Introduction
Так изоляции графена в 2004 году, 1 интерес в освоении своих уникальных свойств привело к интенсивному усилий, направленных к сборке графена в трехмерных, монолитных конструкций, которые сохраняют свойства отдельных графеновых листов. 2-5 Эти усилия были затруднены То, что само по себе графен является дорогим и трудоемким в производстве и имеет тенденцию собираться в решение, которое ограничивает масштабируемость материалов на основе графена строительных блоков. Кроме того, графен сборки, как правило, состоит из физических сшивающих взаимодействий (например, ван-дер-Стены сил) между отдельными графеновых листов, которые намного меньше, проводящим и механической прочностью, чем химическая связь поперечных связей. Ливерморской национальной лаборатории был вовлечен в разработку новых пористых, низкой плотности углеродных материалов с 1980 года. 6 Несколько стратегии были определены для изготовления масс-произвоCible основе графена монолитные сыпучие материалы с обеих недорогих полимерных полученных углеродных пен, которые называются графена аэрогеля (газ), 7, а также путем прямого сшивания оксида графена (GO), листы, которые называются графен макро- узлы (GMAS). 8,9 Эти сверхвысокие площадь сыпучие материалы имеют высокие электро- и теплопроводность, механическую прочность исключительную эластичность и и перестраиваемый пор морфологии. Газ и GMAS нашли применение в многочисленных приложениях, включая электродных материалов суперконденсаторов в и аккумуляторов, расширенный катализатора поддерживает, адсорбентов, теплоизоляции, датчиков и опреснения. 10
Синтез графеновых аэрогелей начинается с золь-гель полимеризации водного раствора резорцина и формальдегида, чтобы генерировать высокую сшитых гелей органические. Эти гели промывают водой и ацетоном, затем высушили с использованием сверхкритического CO 2 и пиролизу в INert атмосфера, чтобы дать углеродных аэрогелей с относительно низкой площадью поверхности и объема пор. Углеродные аэрогели активируются контролируемого удаления атомов углерода в мягких условиях окислительной (например, СО 2) с образованием поперечно-сшитого материала, состоящего из двух аморфного углерода и графита нанопластинок, с более высокой площадью поверхности и открытым морфологией пор. 7 Уникальное преимущество Синтез золь-гель, что газ может быть изготовлен в различных формах, в том числе монолиты и тонких пленок, в зависимости от потребностей приложения. Углеродные нанотрубки 11 и / или 12 графеновые листы могут быть интегрированы в газ путем включения этих добавок в раствор предшественника золь-гель. Это создает композитных структур, в которых добавка становится частью первичной структуры сети углерода. Кроме того, каркас может быть Г.А. функционализированные после карбонизации / активации либо путем модификации поверхности аэрогеля или через осаждение материалов,например катализатор наночастиц, на каркасной структуры. 13
Графен макро-сборок (GMAS) получают непосредственно сшивания условный оксид графена (GO) листы, пользуясь присущей им химической функциональности. 9 GO листов содержат множество функциональных групп, в том числе эпоксидных и гидроксильных группировок, которые могут служить в качестве химические сшивающие сайты. Как и в подготовке GA, собраны GMAS которые сверхкритической сушат, чтобы сохранить пористую сеть, то пиролизу, чтобы уменьшить химические поперечные связи в проводящих углеродных мостов, которые обеспечивают структурную опору для сборки. Из-за ковалентных углерода мостов между графеновых листов, GMAS есть электропроводности и механическую жесткость, что на порядки выше, чем графеновых сборок, образованных с физической сшивки. Кроме того, GMAS имеют площадь поверхности приближающихся теоретическое значение одном листе графена. Сообщение синтетическое тепловой тreatment при повышенных температурах (> 1050 ° С) может значительно улучшить степень кристалличности GMAS, что приводит к еще более высокие удельные и модули Юнга, а также сопротивление лучше термического окисления. 14 после синтеза химическую обработку GMAS с редокс-активных органических молекул, таких как антрахинона может повысить емкость заряда в суперконденсаторных приложений. 15
Свойства перестраиваемый материал газа и GMAS являются, в частности, в результате тщательно различной синтетических условий, таких как реагент и катализатор концентрации, времени отверждения и температуры, условий сушки, процессов карбонизации / активации. 16 Это подробное видео протокола преследует решение неоднозначности в опубликованных методов, и направлять исследователей попытаться воспроизвести материалов и условий.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важно отметить, что процедуры, изложенные здесь только в качестве образца. Многие корректировки можно настраивать материалов для конкретного применения. Например, изменяя исходные концентрации материальных, сохраняя резорцина / формальдегида (РФ) постоянный коэффициент, могут иметь ?…
Disclosures
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).
