Kulstofbaserede materialer er meget udbredt inden for mange områder såsom energilagring, miljøvidenskab og materialekemi. I de sidste par årtier har mange forskere herhjemme og i udlandet med succes udviklet et rigt udvalg af nye kulstofbaserede materialer, såsom biochar, grafen, grafenoxid (GO), kulstofnanorør, kulstofnanofibre, kulstofkugler, kulstofaerogeler, nitrogen -doteret kulstof og grafitfase kulnitrid. Aerogel er en slags nyt fast materiale med ultrafin porøs struktur og lav densitet. Siden dens fødsel i 1931 har den altid tiltrukket sig stor opmærksomhed. Med tidens kontinuerlige fremskridt fortsætter forskerne med at udforske og optimere fremstillingsmetoderne for aerogel, fra den indledende uorganiske silica aerogel gradvist udviklet til organisk aerogel, og derefter udvidet til carbon aerogel, og tilsvarende fortsætter anvendelsesområdet for aerogel også med at udvide.
Kulstofbaserede aerogeler er en ny type nanoporøse kulstofmaterialer opnået ved forkulning ved høj temperatur i et miljø med inert gas ved brug af organiske aerogeler som forstadier. De har de dobbelte egenskaber af både aerogeler og kulstofbaserede materialer. På grund af dens lave tæthed, høje specifikke overfladeareal og høje porøsitet er kulstofbaseret aerogel blevet brugt i vid udstrækning til energilagring, adsorption, sensor, elektromagnetisk afskærmning og absorption.
Billedkilde: Journal of Colloid and Interface Science
Klassificering af kulstofbaserede aerogeler:
Baseret på forskellen mellem råmaterialekilder kan kulstofaerogel groft opdeles i tre kategorier: grafitbaserede kulstofaerogeler, organiske kulstofaerogeler og kulstofsammensatte aerogeler.
For grafitbaserede carbonaerogeler, såsom grafenaerogeler og carbonnanorøraerogeler, kombineres grafit-carbonmaterialer direkte i tredimensionelle aerogelstrukturer ved hjælp af passende samlingsprocesser. På grund af deres høje elektriske ledningsevne er disse kulstof-aerogelmaterialer meget brugt i en række elektroniske enheder og sensorer.
Forstadiet til organisk carbon aerogel tilhører organisk materiale, som omdannes til carbonmateriale efter højtemperatur carboniseringsproces, og derefter konstrueres tredimensionel porøs struktur ved hjælp af samlingsprocessen. Disse kulstofbaserede aerogeler kan opdeles i biomassekulstofaerogeler og polymerbaserede kulstofaerogeler. På grund af deres fremragende adsorptionsegenskaber og unikke strukturelle egenskaber har de et bredt anvendelses- og udviklingspotentiale inden for miljøbeskyttelse og energi.
Kulstofkompositaerogel er en meget vigtig udviklingstendens inden for kulstofbaseret aerogelfelt i de seneste år. Ved at indføre organiske grupper eller polymer kan forholdet mellem komponenter justeres og kontrolleres, og så kan problemerne med enkeltkomponent kulstofbaserede aerogelmaterialer såsom større skørhed, let fugt, dårlig fleksibilitet og så videre optimeres. Samtidig med at de bevarer fremragende egenskaber, opnår kulstofkompositaerogeler funktionel komplementaritet mellem forskellige materialer, hvilket åbner op for et bredere rum for anvendelse af kulstofbaserede aerogeler.
Fremstilling af kulstofbaseret aerogel:
Fremstillingen af carbonbaseret aerogel omfatter sædvanligvis de følgende tre trin: (1) forstadiesolering, solgelering og ældning; ② Gelen tørrer til aerogel; ③ Karbonisering af aerogel for at opnå kulstofbaseret aerogel. Kulstofbaseret aerogel har vist god ydeevne i mange applikationer, men den komplekse forberedelsesproces, høje omkostninger og lavt udbytte begrænser dens praktiske anvendelse. Fremstillingsmetoderne for carbonbaserede aerogelmaterialer omfatter hovedsageligt sol-gel-metoden, hydrotermisk metode, kemisk dampaflejringsmetode og isskabelonmetode.
Anvendelse af kulstofbaseret aerogel:
Kulstofbaseret aerogel er en slags let, porøst, amorft kulstofmateriale med nanoporøs struktur. Kulstofbaseret aerogel har vigtig anvendelsesværdi inden for nøgleområderne elektrokemisk energilagring, katalysator og dens bærer, national forsvar og militær industri og miljøbeskyttelse.
1. Termisk isolering til varme batterier og superkondensatorer
I energilagringsudstyr har temperaturen stor indflydelse på dets ydeevne og levetid. Aerogel kan bruges som et termisk isoleringsmateriale til varme batterier og superkondensatorer, der forhindrer varmen i at blive overført for hurtigt inde i batteriet eller kondensatoren, og opretholder stabiliteten af udstyrets driftstemperatur og forbedrer derved udstyrets ydeevne og sikkerhed.
2. Lydabsorberende materiale
Aerogelens porøse struktur gør, at den har gode lydabsorberende egenskaber. Når lydbølger forplanter sig i porerne på aerogel, vil de blive reflekteret og spredt mange gange, så lydenergien fortsætter med at henfalde. I koncertsale, optagestudier og andre steder med høje akustiske miljøkrav kan aerogel bruges til at fremstille lydabsorberende paneler, hvilket effektivt reducerer den indendørs efterklangstid og forbedrer lydens klarhed.
3. Katalysatorstøtte
Det høje specifikke overfladeareal af aerogel giver et stort antal påfyldningssteder til katalysator. I miljøkatalytiske reaktioner, såsom katalytisk rensning af biludstødningsgas, katalytisk oxidation af industriel affaldsgas osv., kan belastning af katalysatoren på aerogelbæreren forbedre katalysatorens spredning og aktivitet for at katalysere omdannelsen af skadelige stoffer mere effektivt og reducere emissionen af forurenende stoffer.
4. Emballagematerialer til elektroniske enheder
Aerogeler har gode elektriske isoleringsegenskaber og lav dielektricitetskonstant og kan bruges som emballagematerialer til elektroniske enheder. I elektroniske enheder såsom integrerede kredsløb og chips kan aerogel-emballage beskytte elektroniske komponenter mod miljøfaktorer såsom fugt og støv, mens dens lave dielektriske konstant hjælper med at reducere forsinkelser og tab under signaltransmission.
billedkilde: RSC Advances