Materiály na bázi uhlíku jsou široce používány v mnoha oblastech, jako je skladování energie, environmentální věda a chemie materiálů. V posledních několika desetiletích mnoho vědců doma i v zahraničí úspěšně vyvinulo bohatou škálu nově vznikajících materiálů na bázi uhlíku, jako je biouhel, grafen, oxid grafenu (GO), uhlíkové nanotrubice, uhlíková nanovlákna, uhlíkové kuličky, uhlíkové aerogely, dusík. -dopovaný uhlík a grafitová fáze nitrid uhlíku. Aerogel je druh nového pevného materiálu s ultrajemnou porézní strukturou a nízkou hustotou. Od svého vzniku v roce 1931 vždy přitahoval širokou pozornost. S neustálým postupem času výzkumníci pokračují ve zkoumání a optimalizaci způsobů přípravy aerogelu, od počátečního anorganického aerogelu oxidu křemičitého postupně vyvinutého k organickému aerogelu a poté rozšířeného na uhlíkový aerogel, a odpovídajícím způsobem se také rozsah použití aerogelu neustále rozšiřuje. rozšířit.
Aerogely na bázi uhlíku jsou novým typem nanoporézních uhlíkových materiálů získaných karbonizací při vysoké teplotě v prostředí inertního plynu, za použití organických aerogelů jako prekurzorů. Mají dvojí vlastnosti jak aerogelů, tak materiálů na bázi uhlíku. Díky své nízké hustotě, vysokému specifickému povrchu a vysoké pórovitosti je aerogel na bázi uhlíku široce používán při skladování energie, adsorpci, senzorech, elektromagnetickém stínění a absorpci.
Zdroj obrázku:Journal of Colloid and Interface Science
Klasifikace aerogelů na bázi uhlíku:
Na základě rozdílu zdrojů surovin lze uhlíkové aerogely zhruba rozdělit do tří kategorií: uhlíkové aerogely na bázi grafitu, aerogely organického uhlíku a aerogely uhlíkových kompozitů.
U uhlíkových aerogelů na bázi grafitu, jako jsou grafenové aerogely a aerogely z uhlíkových nanotrubic, jsou materiály grafit-uhlík přímo kombinovány do trojrozměrných aerogelových struktur pomocí vhodných montážních procesů. Díky své vysoké elektrické vodivosti jsou tyto uhlíkové aerogelové materiály široce používány v různých elektronických zařízeních a senzorech.
Prekurzorový materiál aerogelu z organického uhlíku patří k organické hmotě, která se po procesu vysokoteplotní karbonizace přemění na uhlíkový materiál a následně se pomocí montážního procesu zkonstruuje trojrozměrná porézní struktura. Tyto aerogely na uhlíkové bázi lze rozdělit na uhlíkové aerogely z biomasy a uhlíkové aerogely na bázi polymerů. Díky svým vynikajícím adsorpčním vlastnostem a jedinečným strukturálním vlastnostem mají široké uplatnění a rozvojový potenciál v oblasti ochrany životního prostředí a energetiky.
Uhlíkový kompozitní aerogel je v posledních letech velmi důležitým vývojovým trendem v oblasti aerogelů na bázi uhlíku. Zavedením organických skupin nebo polymeru lze upravit a řídit poměr mezi složkami a pak lze optimalizovat problémy jednosložkových aerogelových materiálů na bázi uhlíku, jako je větší křehkost, snadná vlhkost, špatná flexibilita a tak dále. Při zachování vynikajících vlastností dosahují aerogely z uhlíkových kompozitů funkční komplementarity mezi různými materiály, což otevírá širší prostor pro aplikaci aerogelů na bázi uhlíku.
Příprava aerogelu na bázi uhlíku:
Příprava aerogelu na bázi uhlíku obvykle zahrnuje následující tři kroky: (1) izolace prekurzoru, gelace solu a stárnutí; ② Gel zasychá, aby se stal aerogelem; ③ Karbonizace aerogelu pro získání aerogelu na bázi uhlíku. Aerogel na bázi uhlíku prokázal dobrý výkon v mnoha aplikacích, ale složitý proces přípravy, vysoká cena a nízký výtěžek omezují jeho praktické použití. Metody přípravy aerogelových materiálů na bázi uhlíku zahrnují především metodu sol-gel, hydrotermální metodu, metodu chemické depozice z par a metodu ledového templátu.
Aplikace aerogelu na bázi uhlíku:
Aerogel na bázi uhlíku je druh lehkého, porézního, amorfního uhlíkového materiálu s nanoporézní strukturou. Aerogel na bázi uhlíku má důležitou aplikační hodnotu v klíčových oblastech skladování elektrochemické energie, katalyzátoru a jeho nosiče, národní obrany a vojenského průmyslu a ochrany životního prostředí.
1.Tepelná izolace pro horké baterie a superkondenzátory
U zařízení pro skladování energie má teplota velký vliv na jeho výkon a životnost. Aerogel lze použít jako tepelně izolační materiál pro horké baterie a superkondenzátory, který zabraňuje příliš rychlému přenosu tepla uvnitř baterie nebo kondenzátoru a udržuje stabilitu provozní teploty zařízení, čímž zlepšuje výkon a bezpečnost zařízení.
2. Materiál pohlcující zvuk
Porézní struktura aerogelu zajišťuje dobré vlastnosti pohlcující zvuk. Když se zvukové vlny šíří v pórech aerogelu, budou se mnohokrát odrážet a rozptylovat, takže zvuková energie se bude dále rozkládat. V koncertních sálech, nahrávacích studiích a dalších místech s vysokými požadavky na akustické prostředí lze aerogel použít k výrobě panelů pohlcujících zvuk, čímž se účinně zkracuje doba dozvuku v interiéru a zlepšuje se čistota zvuku.
3. Podpora katalyzátoru
Vysoký specifický povrch aerogelu poskytuje velký počet míst naplnění katalyzátoru. V environmentálních katalytických reakcích, jako je katalytické čištění výfukových plynů automobilů, katalytická oxidace průmyslových odpadních plynů atd., může naložení katalyzátoru na nosič aerogelu zlepšit disperzi a aktivitu katalyzátoru, aby se katalyzovala přeměna škodlivých látek. efektivněji a snížit emise znečišťujících látek.
4.Obalové materiály pro elektronická zařízení
Aerogely mají dobré elektrické izolační vlastnosti a nízkou dielektrickou konstantu a lze je použít jako obalové materiály pro elektronická zařízení. V elektronických zařízeních, jako jsou integrované obvody a čipy, může aerogelový obal chránit elektronické součástky před faktory prostředí, jako je vlhkost a prach, zatímco jeho nízká dielektrická konstanta pomáhá snižovat zpoždění a ztráty při přenosu signálu.
zdroj obrázku:RSC Advances