Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

סינתזה וFunctionalization של חומרים ננו-גרפן 3D: הרכבות מאקרו Aerogels גראפן וגראפן

Published: November 5, 2015 doi: 10.3791/53235
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Materials Science Division, Lawrence Livermore National Laboratory

Abstract

מאמצים להרכיב גרפן למבנים מונוליטי תלת-ממדיים כבר הקשו על ידי העלות הגבוהה וprocessability העני של גרפן. בנוסף, רוב דיווחו מכלולי גרפן מוחזקים יחד דרך אינטראקציות פיזיות (למשל, כוחות אן דר ואלס) ולא קשרים כימיים, המגבילים את החוזק המכני שלהם ומוליכות. פרטי שיטת וידאו זה לאחרונה פיתחו אסטרטגיות לפברק, חומרי תפזורת המוני הפקה מבוססת גרפן נגזרים משני קצף פולימר או תחמוצת גרפן שכבה אחת. חומרים אלה כוללים בעיקר יריעות גרפן פרט מחוברות דרך linkers פחמן קשור קוולנטית. הם שומרים על התכונות החיוביות של גרפן כגון שטח פנים גבוה ומוליכות חשמלית ותרמית גבוהות, בשילוב עם מורפולוגיה מתכונן נקבובית וחוזק מכאני יוצא דופן וגמישות. שיטה סינתטית גמישה זה יכול להתארך עד הייצור של ננו-צינורות פולימר / פחמן (CNT)פולימר ד / תחמוצת גרפן (GO) חומרים מרוכבים. יתר על כן, functionalization פוסט-סינתטית נוספת עם anthraquinone מתואר, המאפשרת עלייה דרמטית בביצועי אחסון מטען ביישומי supercapacitor.

Introduction

מאז הבידוד של גראפן בשנת 2004, עניין 1 ברתימת התכונות הייחודיות שלה הוביל למאמץ אינטנסיבי מופנה כלפי גרפן הרכבה למבנים תלת-ממדיים, מונוליטי ששומרים על המאפיינים של יריעות גרפן פרט. 2-5 מאמצים אלה כבר הקשו על ידי עובדה שגרפן עצמו הוא יקר וזמן רב כדי לייצר ונוטה לצבור בפתרון, אשר מגביל את יכולת ההרחבה של חומרים הבוסס על אבני בניין גרפן. בנוסף, מכלולי גרפן מורכבים בדרך כלל מאינטראקציות פיזיות cross-linking (למשל, כוחות ואן דר וקירות) בין יריעות גרפן פרט, שהם הרבה פחות מוליך ומכאני חזקים יותר מקישורים צולבים קשר כימיים. המעבדה הלאומית לורנס ליברמור הייתה מעורבת בפיתוח של חומרים חדשים נקבוביים, בצפיפות נמוכה פחמן מאז 1980. 6 כמה אסטרטגיות זוהו לפברק המוני produחומרי cible מבוסס גרפן מונוליטי בתפזורת משני קצף בעלות נמוכה המופק פולימר פחמן, הנקראים aerogels גרפן (גז), 7, כמו גם על ידי cross-linking הישיר של תחמוצת גרפן גיליונות (GO), אשר נקראים מאקרו גרפן מכלולים (GMAs). 8,9 חומרים בתפזורת אלה ultrahigh שטח יש מוליכות חשמלית ותרמית גבוהות, חוזק מכאני יוצא דופן וגמישות, ומורפולוגיות נקבוביות מתכונן. גז וGMAs מצאו שירות במספר רב של יישומים, כולל חומרי אלקטרודה בsupercapacitors וסוללות נטענות, זרז מתקדם תומך, adsorbents, בידוד תרמי, חיישנים, והתפלה. 10

הסינתזה של aerogels גרפן מתחילה בפילמור סול-ג'ל של תמיסה מימית של resorcinol ופורמלדהיד ליצור ג'לי אורגני מאוד צולב. ג'לי אלה נשטפים עם מים ואצטון, אז מיובשת באמצעות CO 2 הסופר קריטי וpyrolyzed באניאווירת nert לתת aerogels פחמן עם שטח פנים נמוך יחסית ונפח נקבובית. aerogels פחמן מופעלים על ידי ההסרה מבוקרת של אטומי פחמן במצב חמצון קל (למשל, CO 2) כדי ליצור חומר צולבים מורכב משני nanoplatelets פחמן וגרפיט אמורפי, עם שטח פנים גבוהים יותר ומורפולוגיה נקבובית פתוחה. 7 יתרון ייחודי של סינתזת סול-ג'ל היא שהגז יכול להיות מפוברק במגוון רחב של צורות, פסלים כוללים וסרטים דקים, בהתאם לצרכים של היישום. צינורות פחמן 11 ו / או יריעות גרפן 12 ניתן לשלב גז על ידי כולל תוספים אלה בפתרון המבשר סול-ג'ל. זה יוצר מבנים מורכבים שבו כתוסף הופך להיות חלק ממבנה רשת פחמן הראשוני. בנוסף, יכולה להיות פונקציונליות מסגרת GA לאחר גזה / הפעלה או באמצעות שינוי של פני השטח airgel או באמצעות התצהיר של חומרים,למשל זרז חלקיקים, על מבנה המסגרת. 13

מקרו-מכלולי גרפן (GMAs) הוכנו על ידי ישירות cross-linking תחמוצת גרפן מושעה (GO) גיליונות, ניצול פונקציונלי הכימי הטבוע בם. 9 גיליונות GO מכילים מגוון של קבוצות פונקציונליות, כולל epoxide וmoieties הידרוקסיד, שיכול לשמש כ אתרים המקשרים צולבים כימיים. כמו בהכנת GA, התאסף GMAs הם supercritically מיובש לשמר את הרשת הנקבובית, אז pyrolized להפחית את קישורי צלב הכימיים לגשרי פחמן מוליך המספקים תמיכה מבנית להרכבה. בשל גשרי פחמן קוולנטיים בין יריעות גרפן, יש לי GMAs מוליכות חשמליות וקשיחות מכאנית שסדרי גודל גבוה יותר ממכלולי גרפן נוצרו עם cross-linking הפיזי. בנוסף, יש לי GMAs אזורי משטח מתקרבים השווי התיאורטי של גיליון גרפן יחיד. לא תרמית פוסט-סינטטיreatment בטמפרטורות גבוהות (> 1,050 מעלות צלזיוס) יכול לשפר משמעותי את crystallinity של GMAs, מוביל מוליכות לאף גבוהות יותר וmoduli של יאנג, כמו גם התנגדות חמצון תרמית טוב יותר. טיפול כימי 14 פוסט-סינטטי של GMAs עם מולקולות אורגניות חיזור-פעיל כגון anthraquinone יכול לשפר את יכולת אחסון מטען ביישומי supercapacitor. 15

תכונות החומר מתכונן הגז וGMAs הן, בין שאר, תוצאה של תנאים סינטטיים שונים בזהירות כגון ריכוזים מגיב וזרז, זמן ריפוי וטמפרטורה, תנאי ייבוש, ותהליכי גזה / הפעלה. 16 פרוטוקול וידאו מפורט זה נועדה לפתור אי בהירויות בשיטות שפורסמו, ולהנחות את החוקרים מנסים לשחזר את החומרים ותנאים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Resorcinol פורמלדהיד (RF) הנגזר גראפן Aerogels

  1. Na 2 CO 3 זרז airgel פחמן (11% מוצקים, CRF)
    1. בבקבוקון נצנץ 40 מיליליטר, להוסיף מים ללא יונים (7.1 מיליליטר) לresorcinol (0.625 גרם, 5.68 mmol) ומערבבים במערבולת דקות 1. למחוץ חתיכות resorcinol גדולות לאבקה בעזרת מכתש ועלי לפני בנוסף מים. שים לב שהם לא יכולים להתמוסס לחלוטין עד לשלב הבא.
    2. להוסיף 37% תמיסת פורמלדהיד (0.900 גרם, 11.4 mmol) לתרחיף resorcinol ומערבולת דקות 1.
    3. להוסיף סודיום קרבונט (0.003 g, 0.028 mmol) לתערובת התגובה ומערבולת דקות 1.
    4. מעבירים את התערובת לתבניות תגובת זכוכית שיכולה להיות אטום אוויר חזק (לדוגמא, שקופיות בקבוקון זכוכית או שמופרדות על ידי אטם סיליקון) המגדירות את הצורה של חלק המוצק וכתוצאה מכך.
    5. מניחים את התבניות אטומות לתנור 80 מעלות צלזיוס ולרפא במשך 72 שעות.
    6. לאחר הריפוי, להסיר את סולפסלי id מתבנית הזכוכית ולשטוף עם מים כדי להסיר חומרי שייר unreacted התחלה וזרז. בדרך כלל אנו מבצעים 3 x 12 שטיפות שעות עם DI הטרי H 2 O. החומר מוכן לייבוש עכשיו.
  2. חומצה אצטית זרז airgel פחמן (AARF) 17
    1. בבקבוקון נצנץ 40 מיליליטר, להוסיף מים ללא יונים (15 מיליליטר) לresorcinol (12.3 גר ', 0.112 mol) ומערבבים במערבולת דקות 1. למחוץ חתיכות resorcinol גדולות לאבקה בעזרת מכתש ועלי לפני בנוסף מים. שים לב שהם לא יכולים להתמוסס לחלוטין עד לשלב הבא.
    2. להוסיף 37% תמיסת פורמלדהיד (17.9 גר ', .224 mol) לתרחיף resorcinol ומערבולת דקות 1.
    3. להוסיף חומצה אצטית קרחונית (0.44 גר ', 0.007 mol) לתערובת התגובה ומערבולת דקות 1.
    4. מעבירים את התערובת לתבניות תגובת זכוכית שיכולה להיות אטום אוויר חזק (למשל, בקבוקון או שקופיות זכוכית שמופרדות על ידי אטם סיליקון), המגדירות את הצורה של resulting חלק מוצק.
    5. מניחים את התבניות אטומות לתנור 80 מעלות צלזיוס ולרפא במשך 72 שעות.
    6. לאחר הריפוי, להסיר את הפסלים מוצקים מתבנית הזכוכית ולשטוף עם מים כדי להסיר חומרי שייר unreacted התחלה וזרז. בדרך כלל אנו מבצעים 3 x 12 שטיפות שעות עם DI הטרי H 2 O. החומר מוכן לייבוש עכשיו.
  3. תוספות פחמן לפתרון המבשר RF (CNT, GO)
    1. ננו-צינורות פחמן / 11 RF מרוכבים
      1. להשעות ננו-צינורות פחמן חד-דופנות 1% WT במים ללא יונים ולפזר באופן יסודי באמצעות אמבטיה קולית (W כוח 90 קולי, תדירות 40 קילוהרץ).
      2. להוסיף resorcinol (1.235 גרם, 11.2 mmol), פורמלדהיד (1.791 גרם, 22.1 mmol), וזרז סודיום קרבונט (5.95 מ"ג, 0.056 mmol) 1.5 גרם של פיזור CNT.
      3. מעבירים את התערובת לתבניות תגובת זכוכית שיכולה להיות אטום אוויר חזק (לדוגמא, שקופיות בקבוקון זכוכית או שמופרדות על ידי אטם סיליקון), אשר definדואר הצורה של חלק המוצק וכתוצאה מכך.
      4. מניחים את התבניות אטומות לתנור 80 מעלות צלזיוס ולרפא במשך 72 שעות.
      5. לאחר הריפוי, להסיר את הפסלים מוצקים מתבנית הזכוכית ולשטוף עם מים כדי להסיר חומרי שייר unreacted התחלה וזרז. בדרך כלל לבצע 3 x 12 שטיפות שעות עם DI הטרי H 2 O. החומר מוכן לייבוש עכשיו.
    2. תחמוצת גרפן / RF מרוכבים 12
      1. להשעות תחמוצת גרפן 1 WT% (GO, 300-800 קוטר ננומטר) במים ללא יונים ולפזר באופן יסודי באמצעות אמבטיה קולית (W כוח 90 קולי, תדירות 40 קילוהרץ).
      2. להוסיף resorcinol (1.235 גרם, 11.2 mmol), פורמלדהיד (1.791 גרם, 22.1 mmol, פתרון 37%) וזרז סודיום קרבונט (5.95 מ"ג, 0.056 mmol) 1.5 גרם של פיזור GO.
      3. מעבירים את התערובת לתבניות תגובת זכוכית שיכולה להיות אטום אוויר חזק (למשל, בקבוקון או שקופיות זכוכית שמופרדות על ידי אטם סיליקון) המגדירות את הצורהוכתוצאה מכך חלק מוצק.
      4. מניחים את התבניות אטומות לתנור 80 מעלות צלזיוס ולרפא במשך 72 שעות.
      5. לאחר הריפוי, להסיר את הפסלים מוצקים מתבנית הזכוכית ולשטוף עם מים כדי להסיר חומרי שייר unreacted התחלה וזרז. בדרך כלל לבצע 3 x 12 שטיפות שעות עם DI הטרי H 2 O. החומר מוכן לייבוש עכשיו.
  4. ייבוש
    1. סופר קריטי CO 2
      1. הכן דגימות שטף לייבוש עם CO 2 הסופר קריטי על ידי החלפת הממס O H 2 עם אצטון. הסר מדגם מאמבט מים ומניח לאמבטיה המכילה אצטון הנקי. החלף עם אצטון הטרי עוד פעמים במרווחים של 12 שעות.
      2. עומס אצטון-החליף דגימות לתוך מנגנון ייבוש סופר קריטי, מלא באצטון ועם מחזור נוזל קירור ב12-15 מעלות צלזיוס.
      3. לאטום מייבש והחלפה עם CO 2 נוזל סופר קריטי עד לא נמצא שרידי אצטון (o בהתאם 4-24 שעותגודל מדגם n, צפיפות, מורפולוגיה נקבובית, וכו ').
      4. לכבות CO 2 אספקה ​​ולהעלות את הטמפרטורה של נוזל קירור במחזור 55 מעלות צלזיוס, תוך שמירה על לחץ במייבש הסופר קריטי בין 1,200-1,600 psi (80-110 בר). החזק על 55 מעלות צלזיוס במשך שעה 1.
      5. לאט לפרוק CO 2 (2-12 HR) תוך שמירה על הטמפרטורה של נוזל קירור במחזור על 55 מעלות צלזיוס. הסר דגימות.
    2. ייבוש סביבה (Xerogel)
      1. הכן דגימות שטף לייבוש בתנאי סביבה על ידי החלפת הממס O H 2 עם אצטון. הסר מדגם מאמבט מים ומניח לאמבטיה המכילה אצטון הנקי. החלף עם אצטון הטרי עוד פעמים במרווחים של 12 שעות.
      2. הנח דגימות-החליף אצטון על משטח נקי (לדוגמא, לחסום טפלון). כדי להאט את קצב האידוי ממס כדי למנוע פיצוח והתכווצות לא אחידה, לכסות את המדגם עם כוס הפוכה של נפח מספיק כדי לספק שפע של חימוםdspace.
      3. לאפשר ממס להתאדות ל( 24-72 שעות).
  5. פִּחוּם
    1. בצע גזה של קצף המיובש ב1,050 מעלות צלזיוס תחת N 2 אווירה. רמפה מRT בשיעור של 5 מעלות צלזיוס / דקה, ולהחזיק ב1,050 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות. שים לב שדק דגימות ייתכן שתצטרכנה להיות ממוקמות בין שני גיליונות נייר גרפיט (או טמפרטורה אחרת חומר יציב, בלתי-פעיל) עם משקל על גבי כדי למנוע סלסול ו" סתתים תפוחי אדמה. "
  6. הפעלה
    1. הפעל חלק קצף פחמן AARF (2 × 3 סנטימטרים סנטימטר × 4 מ"מ, 1.2 גרם) כדי ליצור nanographene 3D (3D-NG) תחת זורם CO 2 (10 SCCM) ב 950 מעלות צלזיוס למשך 5 שעות. 7

2. הרכבות מאקרו גראפן גראפן אוקסיד נגזרות

  1. NH 4 OH זרז GO הרכבה
    1. בבקבוקון נצנץ 40 מיליליטר, להוסיף מים ללא יונים (20 מיליליטר) לoxid גרפן שכבה אחת 400 מ"גדואר (GO, 300-800 קוטר ננומטר). ביסודיות לפזר באמצעות אמבטיה קולית (W כוח 90 קולי, תדירות 40 קילוהרץ) O / N.
    2. להוסיף פתרון מרוכז NH 4 OH (.211 מיליליטר להשעית GO ז).
    3. העבר אותו לתבניות זכוכית שיכולה להיות אטום אטומה (למשל, בקבוקון זכוכית או שקופיות שמופרדות על ידי אטם סיליקון המגדיר את הצורה של חלק המוצק וכתוצאה מכך).
    4. מניחים את התבניות אטומות לתנור 80 מעלות צלזיוס ולרפא במשך 72 שעות.
    5. לאחר הריפוי, להסיר את הפסלים מוצקים מתבנית הזכוכית ולשטוף עם מים כדי להסיר חומרי שייר unreacted התחלה וזרז. בדרך כלל לבצע 3 x 12 שטיפות שעות עם DI הטרי H 2 O. החומר מוכן לייבוש עכשיו.
  2. ייבוש
    1. סופר קריטי CO 2
      1. הכן דגימות שטף לייבוש עם CO 2 הסופר קריטי על ידי החלפת הממס O H 2 עם אצטון. הסר מדגם מאמבט מים ומניח לשיתוף אמבטיהntaining אצטון הנקי. החלף עם אצטון הטרי עוד פעמים במרווחים של 12 שעות.
      2. עומס אצטון-החליף דגימות לתוך מנגנון ייבוש סופר קריטי, מלא באצטון ועם מחזור נוזל קירור ב12-15 מעלות צלזיוס.
      3. לאטום מייבש סופר קריטי וחילופים עם CO 2 הנוזל עד לא נמצא שרידי אצטון (4-24 שעות בהתאם לגודל מדגם, צפיפות, מורפולוגיה נקבובית, וכו '). תמורה מלאה הוא הצביע על ידי הפסקת טיפות אצטון בשסתום הפליטה של ​​מייבש הסופר קריטי.
      4. לכבות CO 2 אספקה ​​ולהעלות את הטמפרטורה של נוזל קירור במחזור 55 מעלות צלזיוס, תוך שמירה על לחץ במייבש הסופר קריטי בין 1,200-1,600 psi (80-110 בר). החזק על 55 מעלות צלזיוס במשך שעה 1.
      5. לאט לפרוק CO 2 (2-12 HR) תוך שמירה על הטמפרטורה של נוזל קירור במחזור על 55 מעלות צלזיוס. הסר דגימות.
    2. ייבוש הסביבה (xerogel)
      שימו לב שדק דגימות ייתכן שתצטרכנה להיות ממוקמות ביןשני גיליונות של טפלון (או חומר שאינו מקל אחר) עם משקל על גבי כדי למנוע סלסול ו" סתתים תפוחי אדמה. "
      1. הכן דגימות שטף לייבוש בתנאי סביבה על ידי החלפת הממס O H 2 עם אצטון. הסר מדגם מאמבט מים ומניח לאמבטיה המכילה אצטון הנקי. החלף עם אצטון הטרי עוד פעמים במרווחים של 12 שעות.
      2. הנח דגימות-החליף אצטון על משטח נקי (לדוגמא, לחסום טפלון). כדי להאט את קצב האידוי ממס כדי למנוע התכווצות פיצוח ואחיד, לכסות את המדגם עם כוס הפוכה של נפח מספיק כדי לספק שפע של אמיץ.
      3. לאפשר ממס להתאדות ל( 24-72 שעות).
  3. פִּחוּם
    1. בצע גזה של קצף המיובש ב1,050 מעלות צלזיוס תחת N 2 אווירה. רמפה מRT בשיעור של 5 מעלות צלזיוס / דקה, ולהחזיק ב1,050 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות. שים לב שדק דגימות ייתכן שתהיינה הצורך להציב בetween שני גיליונות נייר גרפיט (או טמפרטורה אחרת חומר יציב, בלתי-פעיל) עם משקל על גבי כדי למנוע סלסול ו" סתתים תפוחי אדמה. "
    2. לחשל תרמי לGMA גבישים מאוד. לבצע חישול תרמית נוסף של קצף מפוחמים בטמפרטורות של עד 2,500 מעלות צלזיוס תחת אווירה הוא. רמפה מRT בשיעור של 100 מעלות צלזיוס / דקה, ולהחזיק בטמפרטורה גבוהה עבור שעה 1.
  4. functionalization פוסט-הגזה
    1. ללא קוולנטיים functionalization anthraquinone (AQ-GMA)
      1. הכן פתרון 3 מ"מ של anthraquinone (א.ק.) בEtOH היבש. חום בבקבוקון אטום ב 75 מעלות צלזיוס כדי להבטיח פירוק מלא.
      2. להוסיף פתרון AQ חם למדגם GMA (~ 2 מיליליטר / מ"ג של מדגם). משרים בבקבוקון אטום לשעה 2 ב 75 מעלות צלזיוס.
      3. הסר פתרון AQ עודף מבקבוקון ולאפשר מדגם להתייבש על 75 מעלות CO / N (בקבוקון מכסה את).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

האבולוציה של הרכב ומורפולוגיה חומר במהלך הייצור יכולה להיות במעקב בדרכים שונות, כוללים עקיפת רנטגן, ספקטרוסקופיית ראמאן וNMR, במיקרוסקופ אלקטרונים, וporosimetry. לדוגמא, בסינתזה, פירוליזה, ו- CO 2 ההפעלה של גז, ההמרה בעקבות עקיפת רנטגן (XRD) (איור 1E). העדר השיא (002) העקיפה הקשורים לערום בדפוס XRD לאחר ההפעלה (עקבות כחולות) מציין את המעבר ממבנה המכיל nanoplatelets גרפיט לאחד בהיקף של גרפן שכבה אחת. במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ומיקרוסקופי אלקטרונים הילוכים ברזולוציה גבוהה (HRTEM) חשפו תכונות קצרות, ליניארי, אשר יכול להיות מזוהות כיריעות גרפן פרט נצפו קצה-על (איור 1 ג ו-ד '). תכונות ראמאן לGA דומות לאלו שנצפו עבור דגימות גרפן מסחריות גדלו על ידי שיקוע כימי (1F איור). תהודה מגנטית הגרעינית של מצב מוצק (NMR) שימשה כדי לעקוב אחרי השינוי של GO לGMA (איור 2), 9 אשר מגלה כי epoxide המשמעותי ופונקציונליות הידרוקסיל (פסגות בין 50 ל 75 עמודים לדקה), כמו גם קבוצות קרבוניל (ppm 168 ) בספקטרום NMR 13 C שלה בוטלו כמעט לאחר הריפוי, ושיא אליפטי פחמן (26 עמודים לדקה) מופיע, אשר טוען כי קבוצות epoxide והידרוקסיל מעורבות במנגנון קישור הצולב. לאחר פירוליזה / גזה, רק sp 2 שרידי שיא פחמן וספקטרום H 1 NMR (איור 2) מראה גם את חיסול-CH 2 - ו-CH 2 O- moieties מצביעה על כך שהקישורים הצולבים פחמן SP3 הוסבו לתרמית sp 2 צמתים פחמן מוליך. מיקרו GMA נותח על ידי SEM ונראה דומה לזה שדווח במכלולים אחרים גרפן (איור 3 באיור 4 א היא סוג IV, מעיד על חומר mesoporous. שינוי סינטטי פוסט של GMA עם anthraquinone התאפיין בניתוח טרמוגרווימטריים (TGA), עם איזותרמות נציג מוצגות ב5B דמויות ו- C. הנגזרים של עקומות אובדן המסה להראות פסגות בטמפרטורות שונות לAQ-GMA וAQ התפזורת בשל הספיחה של מולקולת AQ על מצע פחמן. אפיון אלקטרוכימי כלול voltammetry המחזורית (CV), אשר מראה כי ספיחת AQ על האלקטרודה GMA מיוצרת אחסון מטען faradaic (איור 6 א) הפיכים ויציבים.

איור 1
איור 1. עיבוד וארכיטקטורה של 3D-NG (GA). סכמטי (א) לבסיס פולימר- גישה מלמעלה למטה. אילוסטרציה (ב) לחוסן המכני של מדגם 3D-NG סנטימטר בגודל. ארכיטקטורת רשת macroporous להרחיב המורכבת מנקבוביים מיקרומטר בגודל ורצועות (C). מבנה פנימי של רצועות מורכבות מיריעות גרפן מעוקלות וכרוכות זה בזה (ד '). אזורי שכבה כפולה שנבחרו מסומנים על ידי אליפסות, ופרופיל עוצמת טיפוסי על פני אזור כגון שכבה כפולה מוצג בצד השמאל. (ה) רנטגן נתונים עקיפה המאשרים את הפיכתו של רכיב גרפן multilayer הראשוני לאחד שהוא נשלט על ידי גרפן שכבה אחת. (ו) השוואה של ספקטרום ראמאן בD / אזור להקת G מ3D-NG וגרפן שכבה ההמוני. נתון זה שונה מRef. 7. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

דק-page = "תמיד"> איור 2
איור 2. אפיון NMR במהלך עצרת GMA ועיבוד תרמי. () 13 C NMR ספקטרום עבור GO אבקה, ללכת אחרי gelation הראשונית, וגרפן 3D macroassembly. ספקטרום NMR H 1 לGMA לפני ואחרי חישול תרמית (B). נתון זה שונה מRef. 9. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. תמונות FE-SEM של פני השטח שבר של גרפן 3D macroassembly. בהגדלה נמוכה (). הגדלה גבוהה (B). נתון זה שונה מRef. 9.S: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. מורפולוגיה הנקבובית של GMAs. () ספיחת חנקן / האיזותרמה desorption. התפלגות גודל הנקבובית (B). נתון זה שונה מRef. 9. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. סינתזה ואפיון של AQ-GMAs. (א) הליך סינטטי ואיור סכמטי של אי-קוולנטיים functionalization AQ של אלקטרודות GMA. (ב ג) (Ar זרימה 10 מיליליטר דקות -1, 10 ° C דקות -1 טמפרטורה רמפה). עקומות נגזרות המוניות הפסד (קווים מקווקווים) פסגות מופע בטמפרטורות שונות לAQ-GMA לעומת תפזורת AQ. טמפרטורה גבוהה של יותר מ -60 מעלות צלזיוס מציינת ספיחה של מולקולות AQ על מצע פחמן. נתון זה שונה מRef. 15. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. אפיון אלקטרוכימי של AQ-GMAs. Voltammogram המחזורי (2 mV שניות -1, 1 M HCl) עבור 250 מ"מ דיסקי GMA עבים, כפי שהוכנו (Li המוצק ()ne), ועם 12.4% WT AQ טעינה (קו מקווקו). קורות חיים (ב) לאותו 12.4% WT מדגם AQ-GMA בשיעורים לטאטא פוטנציאליים שונים. עלילת הבלעה ממחישה כי תרומת AQ לחייב קיבולת אחסון נשארה קבועה עד> 60 mV שניות -1, שבו התנגדות פתרון גורמת overpotentials כה גדול שא.ק. לא יכול לחייב באופן מלא בתוך חלון המתח שימושי. (ערכי קיבולת נגזרו על ידי שילוב השיא הפריקה הקשורים AQ והפחתת יכולת בסיסית של GMA.) נתון זה שונה מRef. 15. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

חשוב לציין כי הנהלים המתוארים כאן הם רק נציג. התאמות רבות אפשריות לחומרי מנגינה ליישום ספציפי. לדוגמא, משתנה ריכוזי חומר מוצאים, תוך שמירה מתמדת יחס / פורמלדהיד (RF) resorcinol, יכול להיות השפעה על צפיפות החומר הסופית. טעינת זרז יכולה לשנות מורפולוגיה נקבובית, כמו טעינה גבוהה יותר בהליך RF מובילה לקטנים יותר חלקיקים יסודיים ולהיפך. זמן הפעלה יכול לשחק תפקיד גם כן; בזמנים הפעלה קצרים יותר, נקבוביות חדש שנוצר בצורה של micropores ואילו בפעמי הפעלה כבר micropores הם התרחבו לגדלים החוצים את גבול micropore-mesopore 15 בנוסף, זמן ההפעלה חייב לקחת בחשבון את המשקל של קצף פחמן מתחיל.; תשואות טיפוסיות מתהליך ההפעלה שתואר לעיל היו בערך 25% -30%, לפי המשקל של קצף פחמן מתחיל.

s = "jove_content"> אותו הסוגים של התאמות יכולים להתבצע בכל קשורים לתוספים כגון צינוריות וללכת לRF החל פתרון. תוך שימוש בטכניקות הכלליות שתוארו לעיל, קצף עם עומסי CNT החל 0-60% WT (ביחס למוצקי RF) הוכן. Airgel גרפן מוליכות הגבוהה ביותר שהושגה בשיטה זו משמשת GO 1% WT ו -4 RF WT% בתערובת התגובה הראשונית; שימוש בRF הגבוה: יחסי GO הביאו ערכי מוליכות נמוכים יותר. macroassemblies גרפן מוגבל בדרך כלל לריכוזים ראשוניים של ≤20 מ"ג / מיליליטר משום שקשה להשיג השעיות יציבים בריכוזים גבוהים יותר; מתלים של פחות מ 10 מ"ג / מיליליטר עדיין ליצור מבני מונוליטי, אולם הם מתכווצים במידה ניכרת על ריפוי וגזת הכנת חומרי צפיפות נמוכים מאוד קשים להשיג באמצעות ריכוז ראשוני בלבד.

טמפרטורת הגזה מספקת גם הזדמנויות לכוונון חומר. עליית מוליכות חשמליתזה באופן דרמטי מעל 800 מעלות צלזיוס למשך חומרי RF מבוססים. בטמפרטורות גזה מעל 1,500 מעלות צלזיוס, GMAs לאבד שטח ולהיות יותר graphitic, עם פחות פגמים ביריעות גרפן.

בניגוד לגמישות בסינתזת החומר שתוארה לעיל, מצאנו כי כאשר functionalizing חומרי GMA עם anthraquinone, ריכוז מוגבר ועוד לספוג פעמים לא לגרום להעמסת AQ גבוהה יותר. זו ניתן לייחס לכ monolayer כיסוי AQ, עם שכבות מעבר לאינטראקציות אן דר ואלס ייצוב החסרים הראשון עם מצע GMA.

יישומים עתידיים של הפרוטוקול הסינתטי מתוארים כאן כוללים שילוב תבניות ההקרבה לייצור חומרים להגדיר macroporosity ולייעל את התחבורה המונית ב, למשל, זרימת אלקטרודות סוללה. 18,19 עבודה היא גם דרך לגיבוש RF וGO פתרונות מבשר לתאימות עם ייצור מתקדם (3Dטכניקות הדפסה) כגון כתיבת דיו ישירה ויתוגרפיה microstereo ההקרנה. 20 לבסוף, אנו ממשיכים לפתח חומרים מרוכבים חדשניים המבוססים על פיגומי גרפן 3D. 21

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Single Layer Graphene Oxide Cheap Tubes n/a 300-800 nm XY dimensions
single wall carbon nano tubes (SWCNTs) Carbon Solutions P2-SWNT
resorcinol Aldrich 398047-500G
37% formaldehyde solution in water Aldrich 252549
acetic acid Aldrich 320099
ammonium hydroxide solution 28-30% NH3 basis Aldrich 320145
sodium carbonate Aldrich 791768
anthraquinone Aldrich a90004
Polaron supercritical dryer Electron Microscopy Sciences EMS 3100 this is a representative model, any critical point dryer compatible with acetone should work

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
  3. Li, D., Kaner, R. B. Materials science. Graphene-based materials. Science. 320 (5880), 1170-1171 (2008).
  4. Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: a review of graphene. Chem. Rev. 110 (1), 132-145 (2010).
  5. Nardecchia, S., Carriazo, D., Ferrer, M. L., Gutiérrez, M. C., del Monte,, F, Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications. Chem. Soc. Rev.. 42 (2), 794-830 (2013).
  6. Pekala, R. W. Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde. J. Mater. Sci. 24 (9), 3221-3227 (1989).
  7. Biener, J., Dasgupta, S., et al. Macroscopic 3D nanographene with dynamically tunable bulk properties. Adv. Mater. 24 (37), 5083-5087 (2012).
  8. Worsley, M. A., Olson, T. Y., et al. High Surface Area, sp 2-Cross-Linked Three-Dimensional Graphene Monoliths. J Phys. Chem. Lett. 2 (8), 921-925 (2011).
  9. Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., et al. Mechanically robust 3D graphene macroassembly with high surface area. Chem Commun. 48 (67), 8428-8430 (2012).
  10. Biener, J., Stadermann, M., et al. Advanced carbon aerogels for energy applications. Energ. Environ. Sci. 4 (3), 656-667 (2011).
  11. Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., Satcher, J. H., Hamza, A. V., Baumann, T. F. Mechanically robust and electrically conductive carbon nanotube foams. Appl. Phys. Lett. 94 (7), 073115 (2009).
  12. Worsley, M. A., Pauzauskie, P. J., Olson, T. Y., Biener, J., Satcher, J. H., Baumann, T. F. Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity. J. Am. Chem. Soc. 132 (40), 14067-14069 (2010).
  13. Fu, R., Baumann, T. F., Cronin, S., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M. S., Satcher, J. H. Formation of Graphitic Structures in Cobalt- and Nickel-Doped Carbon Aerogels. Langmuir. 21 (7), 2647-2651 (2005).
  14. Worsley, M. A., Pham, T. T., et al. Synthesis and Characterization of Highly Crystalline Graphene Aerogels. ACS Nano. 8 (10), 11013-11022 (2014).
  15. Campbell, P. G., Merrill, M. D., et al. Battery/supercapacitor hybrid via non-covalent functionalization of graphene macro-assemblies. J. Mater. Chem. A. 2, 17764-17770 (2014).
  16. Worsley, M. A., Charnvanichborikarn, S., et al. Toward Macroscale, Isotropic Carbons with Graphene-Sheet-Like Electrical and Mechanical Properties. Adv. Funct. Mater. 24 (27), 4259-4264 (2014).
  17. Baumann, T. F., Worsley, M. A., Han, T. Y. -J., Satcher, J. H. High surface area carbon aerogel monoliths with hierarchical porosity. J. Non-Cryst. Solids. 354 (29), 3513-3515 (2008).
  18. Baumann, T. F., Satcher, J. H. Template-directed synthesis of periodic macroporous organic and carbon aerogels. J. Non-Cryst. Solids. 350, 120-125 (2004).
  19. Braff, W. A., Bazant, M. Z., Buie, C. R. Membrane-less hydrogen bromine flow battery. Nat. Comms. 4, 1-6 (2013).
  20. Zhu, C., Han, T. Y., Duoss, E. B., Golobic, A. M., Kuntz, J. D., Spadaccini, C. M., Worsley, M. A. Highly compressible 3D periodic graphene aerogel microlattices. Nat Comms. 6, (2015).
  21. Worsley, M. A., Shin, S. J., Merrill, M. D., Lenhardt, J., Nelson, A. J., Woo, L. Y., Gash, A. E., Baumann, T. F., Orme, C. A. Ultra-Low Density, Monolithic WS2, MoS2, and MoS2 Graphene Aerogels. ACS Nano. 9 (5), 4698-4705 (2015).

Tags

הנדסה גיליון 105 גראפן סול-ג'ל airgel ננו-צינורות פחמן קבל- סוללה אלקטרודה צפיפות נמוכה שטח פנים גבוה
סינתזה וFunctionalization של חומרים ננו-גרפן 3D: הרכבות מאקרו Aerogels גראפן וגראפן
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Campbell, P. G., Worsley, M. A.,… More

Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies. J. Vis. Exp. (105), e53235, doi:10.3791/53235 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter