Synthese und Funktionalisierung von 3D-Graphen-Nano Materialien: Graphene Aerogele und Graphene Macro Assemblies

Seit der Trennung von Graphen im Jahr 2004 hat ¹ Interesse an der Nutzung seiner einzigartigen Eigenschaften, um intensiven Anstrengungen im Hinblick auf die Montage Graphen gerichtet in dreidimensionale, monolithischen Strukturen, die die Eigenschaften der einzelnen Graphenschichten zu behalten geführt. ^2-5 Diese Bemühungen wurden durch die behindert worden Dass Graphen selbst ist teuer und zeitaufwendig in der Herstellung und neigt dazu, Lösung, die die Skalierbarkeit von Materialien auf Basis von Graphen Bausteine ​​begrenzt aggregieren. Zusätzlich sind Graphen-Baugruppen in der Regel von physikalischen Vernetzungs Interaktionen (zB van der Walls-Kräfte) zwischen den einzelnen Graphenschichten, die sehr viel weniger leitfähig und mechanisch robuster als chemische Bindung vernetzt sind zusammen. Lawrence Livermore National Laboratory hat in die Entwicklung von neuartigen porösen, Low-Density-Kohlenstoff-Materialien, seit den 1980er Jahren beteiligt. ⁶ Verschiedene Strategien wurden identifiziert, um Massen produ herzustellencible Graphen-basierten monolithischen Schüttgut sowohl Low-Cost-Polymer-abgeleitete Kohlenstoffschäume, die Graphen-Aerogele genannt werden (Gas), ^{7 sowie} durch direkte Vernetzung von Graphenoxid (GO) Blätter, die Graphen Makro- genannt werden Anordnungen (GMAS) ^8,9. Die Ultra Oberfläche Schüttgut eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, außergewöhnliche mechanische Festigkeit und Elastizität und abstimmbaren Porenmorphologien. Gas und GMAS haben Dienstprogramm in zahlreichen Anwendungen einschließlich Elektrodenmaterialien in Superkondensatoren und Akkus, fortschrittliche Katalysatorträger, Adsorptionsmittel, Wärmedämmung, Sensoren und Entsalzung gefunden. ¹⁰

Die Synthese von Graphen Aerogele beginnt mit Sol-Gel-Polymerisation einer wässrigen Lösung von Resorcinol und Formaldehyd zu hochvernetzten organischen Gelen zu erzeugen. Diese Gele werden mit Wasser und Aceton in einem i gewaschen, dann mit überkritischem _CO 2 getrocknet und pyrolysiertnert Atmosphäre Kohlenstoff-Aerogele mit relativ geringer Oberfläche und das Porenvolumen zu geben. Kohlenstoff-Aerogele sind durch gesteuertes Entfernen von Kohlenstoffatomen unter milden oxidierenden Bedingungen ⁷ Ein einzigartiger Vorteil aktiviert (zB CO _{2), um} ein vernetztes Material beider amorphem Kohlenstoff und Graphitnanoplättchen besteht, mit grßerer Oberfläche und offene Porenmorphologie bilden. die Sol-Gel-Synthese ist, dass Gas in einer Vielzahl von Formen, einschließlich Monolithen und dünne Filme hergestellt werden, je nach den Bedürfnissen der Anwendung. Kohlenstoff-Nanoröhren ^{11 und / oder} Graphitlagen ^12, indem diese Zusatzstoffe in dem Sol-Gel-Vorläufer-Lösung in Gas integriert werden. Dies erzeugt Verbundstrukturen, bei denen der Zusatzstoff wird zu einem Teil der primären Kohlenstoffnetzstruktur. Zusätzlich kann das GA-Rahmens nach der Carbonisierung / Aktivierung entweder durch Modifikation der Aerogel-Oberfläche oder durch die Ablagerung von Materialien funktionalisiert werden,zB Katalysator-Nanopartikel auf die Gerüststruktur. ¹³

Graphene Makroanordnungen (GMAS) werden hergestellt direkt Vernetzungs suspendiert Graphenoxid (GO) Blätter, unter Ausnutzung der ihnen innewohnenden chemischen Funktionalität. ⁹ GO Blätter enthalten eine Vielzahl von funktionellen Gruppen, einschließlich Epoxid und Hydroxid-Einheiten, die als dienen kann chemischen Vernetzungsstellen. Wie in der GA Zubereitung, zusammengesetzt GMAS sind überkritisch getrocknet, wobei die porösen Netzwerk zu erhalten, dann pyrolisiert, um die chemischen Vernetzungen in leitende Kohlenstoffbrücken, die strukturelle Unterstützung für die Anordnung zu schaffen reduzieren. Aufgrund der kovalenten Kohlenstoff-Brücken zwischen den Graphenschichten, GMAS haben elektrische Leitfähigkeit und mechanische Steifigkeit, die um Größenordnungen höher als Graphen-Baugruppen mit physikalische Vernetzung gebildet sind. Zusätzlich GMAS haben Flächen Annäherung an den theoretischen Wert einer einzelnen Graphenschicht. Post-synthetische Wärme tEHANDLUNG bei erhöhten Temperaturen (> 1050 ° C) kann die Kristallinität GMAS deutlich verbessern, was zu noch höheren Leitfähigkeiten und Young-Module sowie eine bessere thermische Oxidationsbeständigkeit. ¹⁴ Post-synthetische chemische Behandlung von GMAS mit redox-aktive organische Moleküle wie Anthrachinon kann Ladungsspeicherkapazität in Superkondensator-Anwendungen zu verbessern. ¹⁵

Die abstimmbaren Materialeigenschaften von Gas und GMAS sind, zum Teil ein Ergebnis sorgfältig unterschiedlichen Synthesebedingungen wie Reagenz und Katalysatorkonzentrationen, Heilung Zeit und Temperatur, Trocknungsbedingungen und Karbonisierung / Aktivierungsprozesse. ¹⁶ Diese ausführliche Video-Protokoll zielt darauf ab, Mehrdeutigkeiten aufzulösen in den veröffentlichten Methoden und Forscher versuchen, die Materialien und Bedingungen zu reproduzieren zu führen.