Sentezi ve 3D Nano-grafen Malzemelerin fonksiyonalizasyonu: Grafen Aerogels ve Graphene Makro Meclisleri

2004 yılında grafen izolasyonu yana, eşsiz özelliklerini sokmak ¹ faiz bireysel grafen tabakalarının özelliklerini muhafaza üç boyutlu, monolitik yapılara montaj grafen yönlendirilir yoğun çaba yol açmıştır. ^2-5 Bu çabalar engel olan grafin kendisi pahalı ve zaman alıcı bir üretim ve graphene yapı blokları göre malzemelerin ölçeklenebilirlik sınırlar çözeltisi, agrega eğilimi olması. Buna ek olarak, graphene düzenekleri tipik olarak daha az iletken ve kimyasal bir bağ çapraz bağlantıları daha mekanik olarak kuvvetli olan münferit grafin levhalar arasında fiziksel çapraz bağlanma etkileşimleri (örneğin, van der Walls kuvvetleri) oluşur. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı 1980'lerden beri yeni gözenekli, düşük yoğunluklu karbon malzemelerin geliştirilmesi yer almıştır. ⁶ Çeşitli stratejiler kitle süreden imal etmek tespit edilmiştirgraphene makro olarak adlandırılır (GO) levhalar, grafin aerojel olarak adlandırılır düşük bir polimer türetilmiş C-köpükler, (GA), ⁷ her iki yanı sıra grafin oksit, doğrudan çapraz bağlanma ile karışmayan grafin bazlı monolitik dökme malzeme derlemeler (GMAs). ^8,9 Bu ultra yüzey alanı Kayrak malzemelerin yüksek elektrik ve ısı iletkenlikleri, olağanüstü mekanik mukavemet ve elastikiyet ve ayarlanabilir gözenek morfolojileri var. GAs ve GMAs elektrot supercapacitors malzeme ve şarj edilebilir piller, gelişmiş katalizör destekler Adsorbanların, ısı yalıtımı, sensörler ve Tuzluluğu giderme de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda yarar bulduk. ¹⁰

Grafin aerojellerin sentezi yüksek düzeyde çapraz bağlanmış bir organik jeller oluşturmak için resorsinol ve formaldehitin bir sulu çözeltisi, sol-jel polimerizasyon başlar. Bu jeller, bir i sonra süperkritik _CO2 kullanılarak kurutuldu, su ve aseton ile yıkanmış ve pirolize edilirnert atmosferi nispeten düşük bir yüzey alanı ve gözenek hacmi ile C-aerojel elde edilmiştir. Karbon aerojeller _(CO2 gibi) daha yüksek bir yüzey alanı ve açık gözenekli morfolojisinin hem amorf karbon ve grafit nanoplatelets oluşan bir çapraz-bağlanmış bir malzeme oluşturmak üzere, hafif oksitleyici şartlar altında karbon atomuna kontrollü uzaklaştırılmasıyla aktive edilir. ⁷ benzersiz bir avantajı Sol-jel sentez gazı uygulama gereksinimlerine bağlı olarak, form dahil olmak üzere yekpare ince filmlerin çeşitli imal edilebilir olmasıdır. Karbon nanotüpleri ¹¹ ve / veya graphene yaprak ^12, sol-jel çözeltisi içinde ön-madde, bu katkı maddeleri de dahil olmak üzere, gaz entegre edilebilir. Bu katkı maddesi birincil karbon ağ yapısının bir parçası haline gelir kompozit yapılar oluşturur. Buna ek olarak, GA çerçeve karbonizasyon / aktivasyon da sonra aerojel yüzeyinin değiştirilmesi yoluyla veya malzeme birikimi yoluyla fonksiyonalize edilebilirÖrneğin katalizör çerçeve yapısı üzerine, nanopartiküller. ¹³

Grafen makro düzenekleri (GMAs) hazırlanır, doğrudan çapraz bağlama süspanse graphene oksit (GO) levhalar, kendilerine has kimyasal işlevsellik yararlanarak. ⁹ GO yaprak olarak görev yapabilir ve epoksit hidroksit yarımlar dahil olmak üzere fonksiyonel gruplar, çeşitli içeren Kimyasal çapraz bağlama siteleri. GA hazırlanmasında olduğu gibi, daha sonra montajı için yapısal destek sağlayan iletken karbon köprüler halinde kimyasal çapraz bağlantıları azaltmak için pirolize, GMAs süperkritik gözenekli bir şebekesini korumak için kurutulur toplandı. Nedeniyle grafen levhalar arasında kovalent karbon köprülerine, GMAs fiziksel çapraz bağlama ile oluşturulan grafen meclisleri daha yüksek büyüklükte siparişleri elektrik iletkenlikleri ve mekanik sertliği var. Buna ek olarak, GMAs tek grafin tabakanın teorik değere yaklaşan yüzey alanlarına sahiptir. Post-sentetik termal tyüksek sıcaklıklarda (> 1050 ° C) önemli ölçüde daha da yüksek iletkenlik ve Young modülüne ve daha iyi bir termal oksidasyon direnci gelen, GMAs kristalliğini artırabilir. gibi redoks-aktif organik moleküllerle GMAs ¹⁴ Post-sentetik kimyasal işleme de reatment antrakinon süperkapasitör uygulamalarında yük depolama kapasitesini artırabilirsiniz. ¹⁵

GAs ve GMAs ve ayarlanabilir malzeme özellikleri kısmen, bu tür reaktif ve katalizör konsantrasyonları, tedavi süresi ve sıcaklık, kurutma koşulları ve karbonizasyon / aktivasyon işlemleri olarak dikkatle değişen sentetik koşulların bir sonucu. ¹⁶ Bu ayrıntılı video protokol belirsizlikleri gidermek amacı vardır yayınlanan yöntemleri ve materyalleri ve koşulları yeniden deneyen araştırmacılar rehberlik.