Op koolstof gebaseerde materialen worden op grote schaal gebruikt op veel gebieden, zoals energieopslag, milieuwetenschappen en materiaalchemie. In de afgelopen decennia hebben veel wetenschappers in binnen- en buitenland met succes een rijke verscheidenheid aan opkomende koolstofgebaseerde materialen ontwikkeld, zoals biochar, grafeen, grafeenoxide (GO), koolstofnanobuisjes, koolstofnanovezels, koolstofbollen, koolstofaerogels, stikstof -gedoteerde koolstof en koolstofnitride in de grafietfase. Aerogel is een soort nieuw stevig materiaal met een ultrafijne poreuze structuur en een lage dichtheid. Sinds de geboorte in 1931 heeft het altijd veel aandacht getrokken. Met de voortdurende vooruitgang van de tijd blijven onderzoekers de bereidingsmethoden van aerogel onderzoeken en optimaliseren, van de aanvankelijke anorganische silica-aerogel die geleidelijk werd ontwikkeld tot organische aerogel en vervolgens werd uitgebreid tot koolstof-aerogel, en dienovereenkomstig blijft het toepassingsbereik van aerogel zich ook uitbreiden uitbreiden.
Op koolstof gebaseerde aerogels zijn een nieuw type nanoporeuze koolstofmaterialen die worden verkregen door carbonisatie bij hoge temperatuur in een inerte gasomgeving, waarbij organische aerogels als voorlopers worden gebruikt. Ze hebben de dubbele kenmerken van zowel aerogels als op koolstof gebaseerde materialen. Vanwege de lage dichtheid, het hoge specifieke oppervlak en de hoge porositeit wordt op koolstof gebaseerde aerogel veel gebruikt bij energieopslag, adsorptie, sensor, elektromagnetische afscherming en absorptie.
Bron afbeelding: Journal of Colloid and Interface Science
Classificatie van op koolstof gebaseerde aerogels:
Op basis van het verschil in grondstoffenbronnen kunnen koolstofaerogels grofweg worden onderverdeeld in drie categorieën: op grafiet gebaseerde koolstofaerogels, organische koolstofaerogels en koolstofcomposietaerogels.
Voor op grafiet gebaseerde koolstofaerogels, zoals grafeenaerogels en koolstofnanobuisaerogels, worden grafiet-koolstofmaterialen rechtstreeks gecombineerd tot driedimensionale aerogelstructuren met behulp van geschikte assemblageprocessen. Vanwege hun hoge elektrische geleidbaarheid worden deze koolstofaerogelmaterialen veel gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische apparaten en sensoren.
Het voorlopermateriaal van organische koolstofaerogel behoort tot organisch materiaal, dat wordt omgezet in koolstofmateriaal na carbonisatieproces bij hoge temperatuur, en vervolgens wordt een driedimensionale poreuze structuur geconstrueerd met behulp van het assemblageproces. Deze op koolstof gebaseerde aerogels kunnen worden onderverdeeld in biomassa-koolstofaerogels en op polymeer gebaseerde koolstofaerogels. Vanwege hun uitstekende adsorptie-eigenschappen en unieke structurele kenmerken hebben ze een breed toepassings- en ontwikkelingspotentieel op het gebied van milieubescherming en energie.
Koolstofcomposiet-aerogel is de afgelopen jaren een zeer belangrijke ontwikkelingstrend op het gebied van op koolstof gebaseerde aerogel. Door organische groepen of polymeer te introduceren, kan de verhouding tussen componenten worden aangepast en gecontroleerd, en vervolgens kunnen de problemen van op koolstof gebaseerde aerogelmaterialen met één component, zoals grotere brosheid, gemakkelijke vochtigheid, slechte flexibiliteit enzovoort, worden geoptimaliseerd. Met behoud van uitstekende eigenschappen bereiken koolstofcomposiet-aerogels functionele complementariteit tussen verschillende materialen, wat een bredere ruimte opent voor de toepassing van op koolstof gebaseerde aerogels.
Bereiding van op koolstof gebaseerde aerogel:
De bereiding van op koolstof gebaseerde aerogel omvat gewoonlijk de volgende drie stappen: (1) precursorsolatie, solgelatie en veroudering; ② De gel droogt op tot aerogel; ③ Carbonisatie van aerogel om op koolstof gebaseerde aerogel te verkrijgen. Op koolstof gebaseerde aerogel heeft bij veel toepassingen goede prestaties laten zien, maar het complexe bereidingsproces, de hoge kosten en de lage opbrengst beperken de praktische toepassing ervan. De bereidingsmethoden van op koolstof gebaseerde aerogelmaterialen omvatten voornamelijk de sol-gel-methode, de hydrothermische methode, de chemische dampafzettingsmethode en de ijssjabloonmethode.
Toepassing van op koolstof gebaseerde aerogel:
Op koolstof gebaseerde aerogel is een soort licht, poreus, amorf koolstofmateriaal met een nanoporeuze structuur. Op koolstof gebaseerde aerogel heeft een belangrijke toepassingswaarde op de belangrijkste gebieden van elektrochemische energieopslag, katalysator en zijn drager, nationale defensie en militaire industrie en milieubescherming.
1. Thermische isolatie voor hete batterijen en supercondensatoren
Bij apparatuur voor energieopslag heeft de temperatuur een grote invloed op de prestaties en levensduur ervan. Aerogel kan worden gebruikt als thermisch isolatiemateriaal voor hete batterijen en supercondensatoren, waardoor wordt voorkomen dat warmte te snel in de batterij of condensator wordt overgedragen en de stabiliteit van de bedrijfstemperatuur van de apparatuur wordt gehandhaafd, waardoor de prestaties en veiligheid van de apparatuur worden verbeterd.
2. Geluidsabsorberend materiaal
Door de poreuze structuur van aerogel heeft het goede geluidsabsorberende eigenschappen. Wanneer geluidsgolven zich voortplanten in de poriën van aerogel, zullen ze vele malen worden gereflecteerd en verstrooid, zodat de geluidsenergie zal blijven vervallen. In concertzalen, opnamestudio's en andere plaatsen met hoge akoestische omgevingseisen kan aerogel worden gebruikt om geluidsabsorberende panelen te vervaardigen, waardoor de nagalmtijd binnenshuis effectief wordt verminderd en de helderheid van het geluid wordt verbeterd.
3. Katalysatorondersteuning
Het hoge specifieke oppervlak van aerogel biedt een groot aantal laadplaatsen voor katalysator. Bij katalytische omgevingsreacties, zoals de katalytische zuivering van uitlaatgassen van auto's, katalytische oxidatie van industrieel afvalgas, enz., kan het laden van de katalysator op de aerogeldrager de dispersie en activiteit van de katalysator verbeteren, om zo de omzetting van schadelijke stoffen te katalyseren effectiever te maken en de uitstoot van verontreinigende stoffen terug te dringen.
4.Verpakkingsmaterialen voor elektronische apparaten
Aerogels hebben goede elektrische isolatie-eigenschappen en een lage diëlektrische constante, en kunnen worden gebruikt als verpakkingsmateriaal voor elektronische apparaten. In elektronische apparaten zoals geïntegreerde schakelingen en chips kan aerogelverpakking elektronische componenten beschermen tegen omgevingsfactoren zoals vocht en stof, terwijl de lage diëlektrische constante vertragingen en verliezen tijdens signaaloverdracht helpt verminderen.
bron afbeelding: RSC Advances