Materiały na bazie węgla są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak magazynowanie energii, nauki o środowisku i chemia materiałów. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci wielu uczonych w kraju i za granicą z powodzeniem opracowało szeroką gamę nowych materiałów na bazie węgla, takich jak biowęgiel, grafen, tlenek grafenu (GO), nanorurki węglowe, nanowłókien węglowych, kule węglowe, aerożele węglowe, azot - domieszkowany węglem i fazą grafitową azotek węgla. Aerożel to rodzaj nowego materiału stałego o bardzo drobnej porowatej strukturze i niskiej gęstości. Od chwili swoich narodzin w 1931 roku zawsze cieszyła się dużym zainteresowaniem. Wraz z ciągłym postępem czasu badacze w dalszym ciągu badają i optymalizują metody wytwarzania aerożelu, począwszy od początkowego aerożelu nieorganicznego z krzemionką, stopniowo rozwijanego do aerożelu organicznego, a następnie rozszerzanego do aerożelu węglowego, w związku z czym zakres zastosowań aerożelu również stale się poszerza. zwiększać.
Aerożele węglowe to nowy rodzaj nanoporowatych materiałów węglowych otrzymywanych w procesie karbonizacji w wysokiej temperaturze w środowisku gazu obojętnego, z wykorzystaniem aerożeli organicznych jako prekursorów. Mają podwójną charakterystykę aerożeli i materiałów na bazie węgla. Ze względu na niską gęstość, dużą powierzchnię właściwą i wysoką porowatość, aerożel na bazie węgla jest szeroko stosowany w magazynowaniu energii, adsorpcji, czujnikach, ekranowaniu elektromagnetycznym i absorpcji.
Źródło obrazu: Journal of Colloid and Interface Science
Klasyfikacja aerożeli węglowych:
W oparciu o różnicę źródeł surowców aerożele węglowe można z grubsza podzielić na trzy kategorie: aerożele węglowe na bazie grafitu, aerożele z węglem organicznym i aerożele z kompozytów węglowych.
W przypadku aerożeli węglowych na bazie grafitu, takich jak aerożele grafenowe i aerożele z nanorurek węglowych, materiały grafitowo-węglowe są bezpośrednio łączone w trójwymiarowe struktury aerożelowe przy użyciu odpowiednich procesów montażu. Ze względu na wysoką przewodność elektryczną te aerożelowe materiały węglowe są szeroko stosowane w różnych urządzeniach elektronicznych i czujnikach.
Materiał prekursorowy aerożelu z węglem organicznym należy do materii organicznej, która po procesie karbonizacji w wysokiej temperaturze przekształca się w materiał węglowy, a następnie za pomocą procesu montażu budowana jest trójwymiarowa porowata struktura. Te aerożele węglowe można podzielić na aerożele węglowe z biomasy i aerożele węglowe na bazie polimerów. Ze względu na doskonałe właściwości adsorpcyjne i unikalne właściwości strukturalne mają szeroki potencjał aplikacyjny i rozwojowy w obszarach ochrony środowiska i energetyki.
Aerożele z kompozytów węglowych to bardzo ważny trend rozwojowy w dziedzinie aerożeli węglowych w ostatnich latach. Wprowadzając grupy organiczne lub polimer, można regulować i kontrolować stosunek składników, a następnie optymalizować problemy jednoskładnikowych materiałów aerożelowych na bazie węgla, takie jak większa kruchość, łatwe nawilżanie, słaba elastyczność i tak dalej. Zachowując doskonałe właściwości, aerożele z kompozytów węglowych osiągają funkcjonalną komplementarność pomiędzy różnymi materiałami, co otwiera szerszą przestrzeń dla zastosowań aerożeli na bazie węgla.
Przygotowanie aerożelu na bazie węgla:
Przygotowanie aerożelu na bazie węgla zwykle obejmuje następujące trzy etapy: (1) wydzielanie prekursora, żelowanie zolu i starzenie; ② Żel po wyschnięciu staje się aerożelem; ③ Karbonizacja aerożelu w celu uzyskania aerożelu na bazie węgla. Aerożel na bazie węgla wykazał dobrą wydajność w wielu zastosowaniach, ale złożony proces przygotowania, wysoki koszt i niska wydajność ograniczają jego praktyczne zastosowanie. Metody przygotowania materiałów aerożelowych na bazie węgla obejmują głównie metodę zol-żel, metodę hydrotermalną, metodę chemicznego osadzania z fazy gazowej i metodę szablonu lodowego.
Zastosowanie aerożelu na bazie węgla:
Aerożel na bazie węgla to rodzaj lekkiego, porowatego, amorficznego materiału węglowego o nanoporowatej strukturze. Aerożel na bazie węgla ma istotne znaczenie aplikacyjne w kluczowych dziedzinach magazynowania energii elektrochemicznej, katalizatora i jego nośnika, obronności państwa i przemysłu wojskowego oraz ochrony środowiska.
1. Izolacja termiczna gorących akumulatorów i superkondensatorów
W urządzeniach do magazynowania energii temperatura ma ogromny wpływ na ich wydajność i żywotność. Aerożel może być stosowany jako materiał termoizolacyjny do gorących akumulatorów i superkondensatorów, zapobiegając zbyt szybkiemu przechodzeniu ciepła wewnątrz akumulatora lub kondensatora oraz utrzymując stabilność temperatury pracy sprzętu, poprawiając w ten sposób wydajność i bezpieczeństwo sprzętu.
2. Materiał dźwiękochłonny
Porowata struktura aerożelu sprawia, że posiada on dobre właściwości dźwiękochłonne. Kiedy fale dźwiękowe rozchodzą się w porach aerożelu, będą wielokrotnie odbijane i rozpraszane, przez co energia dźwiękowa będzie nadal zanikać. W salach koncertowych, studiach nagraniowych i innych miejscach o wysokich wymaganiach akustycznych, z aerożelu można wykonać panele dźwiękochłonne, skutecznie redukując czas pogłosu w pomieszczeniach i poprawiając klarowność dźwięku.
3. Wsparcie katalizatora
Wysoka powierzchnia właściwa aerożelu zapewnia dużą liczbę miejsc ładowania katalizatora. W środowiskowych reakcjach katalitycznych, takich jak katalityczne oczyszczanie spalin samochodowych, katalityczne utlenianie przemysłowych gazów odlotowych itp., ładowanie katalizatora na nośnik aerożelu może poprawić dyspersję i aktywność katalizatora, tak aby katalizować konwersję szkodliwych substancji efektywniej i ograniczyć emisję zanieczyszczeń.
4.Materiały opakowaniowe do urządzeń elektronicznych
Aerożele mają dobre właściwości elektroizolacyjne i niską stałą dielektryczną i mogą być stosowane jako materiały opakowaniowe do urządzeń elektronicznych. W urządzeniach elektronicznych, takich jak układy scalone i chipy, opakowanie aerożelowe może chronić komponenty elektroniczne przed czynnikami środowiskowymi, takimi jak wilgoć i kurz, a jego niska stała dielektryczna pomaga zmniejszyć opóźnienia i straty podczas transmisji sygnału.
źródło obrazu: RSC Advances