Name: Síntesis y funcionalización de 3D Materiales Nano-grafeno: grafeno aerogeles y grafeno Asambleas Macro (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 23 s
Description: Aprende a sintetizar aerogeles de grafeno 3D con área superficial ajustable mediante curado controlado y secado con CO2 supercrítico. Este método permite producir materiales monolíticos para aplicaciones en almacenamiento de energía y catalisis.

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Este trabajo fue realizado bajo los auspicios del Departamento de Energía de EE.UU. por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore bajo el Contrato DE-AC52-07NA27344. Versión IM LLNL-JRNL-667016.

1. resorcinol-formaldehído (RF) Derivado grafeno aerogeles <ol><li> Na 2 CO 3 catalizada aerogel de carbono (11% de sólidos, IRC) <ol><li> En un vial de centelleo de 40 ml, añadir agua desionizada (7,1 ml) de resorcinol (0,625 g, 5,68 mmol) y mezclar en un vórtex durante 1 minuto. Aplastar grandes piezas de resorcinol a polvo usando un mortero antes de la adición de agua. Tenga en cuenta que no pueden disolver por completo hasta el siguiente paso. </li><li> Añadir solución de formaldehído 37% (0,900 g, 11,4 mmol) a la suspensión resorcinol y agitar durante 1 min. </li><li> Añadir carbonato de sodio (0,003 g, 0,028 mmol) a la mezcla de reacción y agitar durante 1 min. </li><li> Transferir la mezcla de reacción para moldes de vidrio que se pueden sellar hermético (por ejemplo, viales de vidrio o diapositivas que están separados por una junta de silicona) que definen la forma de la parte sólida resultante. </li><li> Coloque los moldes sellados en un horno 80 ° C y curar durante 72 horas. </li><li> Después de curar, retire el solmonolitos Identificación del molde de vidrio y lavado con agua para eliminar los materiales de partida sin reaccionar residuales y catalizador. Normalmente realizamos 3 x 12 lavados hr con DI fresco H2O El material ya está listo para el secado. </li></ol></li><li> El ácido acético catalizada aerogel de carbono (AARF) 17 <ol><li> En un vial de centelleo de 40 ml, añadir agua desionizada (15 ml) a resorcinol (12,3 g, 0,112 mol) y mezclar en un vórtex durante 1 min. Aplastar grandes piezas de resorcinol a polvo usando un mortero antes de la adición de agua. Tenga en cuenta que no pueden disolver por completo hasta el siguiente paso. </li><li> Añadir solución de formaldehído 37% (17,9 g, 0,224 mol) a la suspensión resorcinol y agitar durante 1 min. </li><li> Añadir ácido acético glacial (0,44 g, 0,007 mol) a la mezcla de reacción y agitar durante 1 min. </li><li> Transferir la mezcla de reacción para moldes de vidrio que se pueden sellar herméticamente (por ejemplo, vial o portaobjetos de vidrio que están separadas por una junta de silicona), que definen la forma de la resulting parte sólida. </li><li> Coloque los moldes sellados en un horno 80 ° C y curar durante 72 horas. </li><li> Después del curado, eliminar los monolitos sólidos desde el molde de vidrio y lavar con agua para eliminar los materiales de partida sin reaccionar residuales y catalizador. Normalmente realizamos 3 x 12 lavados hr con DI fresco H2O El material ya está listo para el secado. </li></ol></li><li> Aditivos de carbono a la solución precursora de RF (CNT, IR) <ol><li> Nanotubos de carbono / RF compuesto 11 <ol><li> Suspender 1% en peso de una sola pared de carbono nano-tubos en agua desionizada y se dispersan a fondo usando un baño ultrasónico (sonora de potencia 90 W, frecuencia de 40 kHz). </li><li> Añadir resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehído (1,791 g, 22,1 mmol) y catalizador de carbonato de sodio (5,95 mg, 0,056 mmol) a 1,5 g de la dispersión de CNT. </li><li> Transferir la mezcla de reacción para moldes de vidrio que se pueden sellar herméticamente (por ejemplo, vial o diapositivas de vidrio que están separadas por una junta de silicona), que define la forma de la parte sólida resultante. </li><li> Coloque los moldes sellados en un horno 80 ° C y curar durante 72 horas. </li><li> Después del curado, eliminar los monolitos sólidos desde el molde de vidrio y lavar con agua para eliminar los materiales de partida sin reaccionar residuales y catalizador. Normalmente realizar 3 x 12 lavados hr con DI fresco H2O El material ya está listo para el secado. </li></ol></li><li> Óxido de grafeno / RF compuesto 12 <ol><li> Suspender 1 en peso de óxido de grafeno% (GO, 300-800 nm de diámetro) en agua desionizada y se dispersan a fondo usando un baño ultrasónico (sonora de potencia 90 W, frecuencia de 40 kHz). </li><li> Añadir resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehído (1,791 g, 22,1 mmol, solución al 37%) y catalizador de carbonato de sodio (5,95 mg, 0,056 mmol) a 1,5 g de la dispersión de GO. </li><li> Transferir la mezcla de reacción para moldes de vidrio que se pueden sellar herméticamente (por ejemplo, vial o portaobjetos de vidrio que están separadas por una junta de silicona) que definen la forma de laresultando parte sólida. </li><li> Coloque los moldes sellados en un horno 80 ° C y curar durante 72 horas. </li><li> Después del curado, eliminar los monolitos sólidos desde el molde de vidrio y lavar con agua para eliminar los materiales de partida sin reaccionar residuales y catalizador. Normalmente realizar 3 x 12 lavados hr con DI fresco H2O El material ya está listo para el secado. </li></ol></li></ol></li><li> El secado <ol><li> Supercrítica de CO 2 <ol><li> Preparar muestras lavadas para el secado con CO2 supercrítico intercambiando el H2O solvente con acetona. Retire muestra del baño de agua y colocar en baño que contiene acetona limpia. Reemplace con acetona fresca dos veces más a intervalos de 12 h. </li><li> Cargar muestras acetona intercambió-en un aparato de secado supercrítico, lleno de acetona y con la circulación del líquido refrigerante en el 12 a 15 ° C. </li><li> Selle secador supercrítico y el intercambio con CO2 líquido hasta que no haya restos de acetona (04.24 horas en función otamaño de la muestra n, la densidad, la morfología de los poros, etc.). </li><li> Cierre el CO 2 la oferta y elevar la temperatura del líquido de refrigeración a 55 ° C en circulación, mientras se mantiene la presión en el secador supercrítico entre 1.200-1.600 psi (80-110 bar). Se mantiene a 55 ° C durante 1 hr. </li><li> Lentamente ventilar CO 2 (2-12 hr) mientras se mantiene la temperatura del refrigerante circulante a 55 ° C. Eliminar muestras. </li></ol></li><li> Secado ambiente (xerogel) <ol><li> Preparar muestras lavadas para el secado en condiciones ambientales mediante el intercambio de la H 2 O solvente con acetona. Retire muestra del baño de agua y colocar en baño que contiene acetona limpia. Reemplace con acetona fresca dos veces más a intervalos de 12 h. </li><li> Coloque las muestras en acetona intercambiado en una superficie limpia (por ejemplo, el bloque de teflón). Para reducir la tasa de evaporación del disolvente para evitar grietas y encogimiento desigual, cubrir la muestra con un vaso invertido de volumen suficiente para proporcionar un montón de headspace. </li><li> Permitir disolvente se evapore de (24 a 72 h). </li></ol></li></ol></li><li> La carbonización <ol><li> Realizar la carbonización de las espumas secadas a 1050 ° C bajo atmósfera de N2. Rampa de RT a una velocidad de 5 ° C / min, y mantener a 1.050 ° C durante 3 horas. Tenga en cuenta que pueden necesitar muestras delgadas para ser colocado entre dos hojas de papel de grafito (u otro material de temperatura estable, no reactivo) con el peso en la parte superior para evitar que se encrespa y &quot;astillado de patata&quot;. </li></ol></li><li> Activación <ol><li> Activar una parte espuma de carbono AARF (2 cm x 3 cm x 4 mm, 1,2 g) para generar 3D nanographene (3D-NG) bajo un flujo de CO 2 (10 sccm) a 950 ° C durante 5 hr. 7 </li></ol></li></ol> 2. Asambleas Macro grafeno El grafeno Óxido derivados <ol><li> NH4OH catalizada GO montaje <ol><li> En un vial de centelleo de 40 ml, añadir agua desionizada (20 ml) a 400 mg de una sola capa de óxido de grafenoe (GO, 300-800 nm de diámetro). Dispersar a fondo usando un baño ultrasónico (sonora de potencia 90 W, frecuencia de 40 kHz) O / N. </li><li> Añadir solución OH concentrado NH 4 (0,211 ml por g de suspensión GO). </li><li> Transferencia en moldes de vidrio que se pueden sellar herméticamente (por ejemplo, vial o vidrio diapositivas que están separados por una junta de silicona que define la forma de la parte sólida resultante). </li><li> Coloque los moldes sellados en un horno 80 ° C y curar durante 72 horas. </li><li> Después del curado, eliminar los monolitos sólidos desde el molde de vidrio y lavar con agua para eliminar los materiales de partida sin reaccionar residuales y catalizador. Normalmente realizar 3 x 12 lavados hr con DI fresco H2O El material ya está listo para el secado. </li></ol></li><li> El secado <ol><li> Supercrítica de CO 2 <ol><li> Preparar muestras lavadas para el secado con CO2 supercrítico intercambiando el H2O solvente con acetona. Retire muestra del baño de agua y colocar en baño de containing acetona limpia. Reemplace con acetona fresca dos veces más a intervalos de 12 h. </li><li> Cargar muestras acetona intercambió-en un aparato de secado supercrítico, lleno de acetona y con la circulación del líquido refrigerante en el 12 a 15 ° C. </li><li> Sellar secador supercrítico y el intercambio con CO 2 líquido hasta que no quede acetona (4 a 24 h según el tamaño de la muestra, la densidad, la morfología de los poros, etc.). Intercambio completo está indicado por el cese de goteos acetona a la válvula de escape de la secadora supercrítico. </li><li> Cierre el CO 2 la oferta y elevar la temperatura del líquido de refrigeración a 55 ° C en circulación, mientras se mantiene la presión en el secador supercrítico entre 1.200-1.600 psi (80-110 bar). Se mantiene a 55 ° C durante 1 hr. </li><li> Lentamente ventilar CO 2 (2-12 hr) mientras se mantiene la temperatura del refrigerante circulante a 55 ° C. Eliminar muestras. </li></ol></li><li> Secado ambiente (xerogel) Tenga en cuenta que pueden necesitar muestras delgadas para ser colocado entredos láminas de teflón (u otro material que no se pegue) con el peso en la parte superior para evitar que se encrespa y &quot;astillado de patata&quot;. <ol><li> Preparar muestras lavadas para el secado en condiciones ambientales mediante el intercambio de la H 2 O solvente con acetona. Retire muestra del baño de agua y colocar en baño que contiene acetona limpia. Reemplace con acetona fresca dos veces más a intervalos de 12 h. </li><li> Coloque las muestras en acetona intercambiado en una superficie limpia (por ejemplo, el bloque de teflón). Para reducir la tasa de evaporación del disolvente para evitar grietas y desigual contracción, cubrir la muestra con un vaso invertido de volumen suficiente para proporcionar un montón de espacio de cabeza. </li><li> Permitir disolvente se evapore de (24 a 72 h). </li></ol></li></ol></li><li> La carbonización <ol><li> Realizar la carbonización de las espumas secadas a 1050 ° C bajo atmósfera de N2. Rampa de RT a una velocidad de 5 ° C / min, y mantener a 1.050 ° C durante 3 horas. Tenga en cuenta que pueden necesitar muestras delgadas para ser colocado bntre dos hojas de papel de grafito (u otro material de temperatura estable, no reactivo) con el peso en la parte superior para evitar que se encrespa y &quot;astillado de patata&quot;. </li><li> Recocido térmico para GMA altamente cristalino. Realizar recocido térmico adicional de espumas carbonizadas a temperaturas de hasta 2500 ° C bajo una atmósfera de He. Rampa de RT a un ritmo de 100 ° C / min, y mantenga a una temperatura elevada durante 1 hora. </li></ol></li><li> Funcionalización Post-carbonización <ol><li> No covalente funcionalización antraquinona (AQ-GMA) <ol><li> Preparar una solución 3 mM de antraquinona (AQ) en EtOH seco. Se calienta en un frasco sellado a 75 ° C para asegurar la disolución completa. </li><li> Añadir solución AQ caliente para muestra de GMA (~ 2 ml / mg de la muestra). Sumérjase en un frasco sellado durante 2 horas a 75 ° C. </li><li> Retire el exceso de solución de AQ del vial y permitir que la muestra se seque a 75 ° CO / N (vial gorra). </li></ol></li></ol></li></ol>

<ol><li>Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electric+field+effect+in+atomically+thin+carbon+films%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Electric field effect in atomically thin carbon films.</a> Science. 306 (5696), 666-669 (2004).</li>
<li>Geim, A. K., Novoselov, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+rise+of+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">The rise of graphene.</a> Nat Mater. 6 (3), 183-191 (2007).</li>
<li>Li, D., Kaner, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+science.+Graphene-based+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Materials science. Graphene-based materials.</a> Science. 320 (5880), 1170-1171 (2008).</li>
<li>Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Honeycomb+carbon%3A+a+review+of+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Honeycomb carbon: a review of graphene.</a> Chem. Rev. 110 (1), 132-145 (2010).</li>
<li>Nardecchia, S., Carriazo, D., Ferrer, M. L., Gutiérrez, M. C., del Monte,, F, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three+dimensional+macroporous+architectures+and+aerogels+built+of+carbon+nanotubes+and%2For+graphene%3A+synthesis+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Soc.+Rev.%22%5BJournal%5D)">Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications.</a> Chem. Soc. Rev.. 42 (2), 794-830 (2013).</li>
<li>Pekala, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+aerogels+from+the+polycondensation+of+resorcinol+with+formaldehyde%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde.</a> J. Mater. Sci. 24 (9), 3221-3227 (1989).</li>
<li>Biener, J., Dasgupta, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Macroscopic+3D+nanographene+with+dynamically+tunable+bulk+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Macroscopic 3D nanographene with dynamically tunable bulk properties.</a> Adv. Mater. 24 (37), 5083-5087 (2012).</li>
<li>Worsley, M. A., Olson, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Surface+Area%2C+sp+2-Cross-Linked+Three-Dimensional+Graphene+Monoliths%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys.+Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">High Surface Area, sp 2-Cross-Linked Three-Dimensional Graphene Monoliths.</a> J Phys. Chem. Lett. 2 (8), 921-925 (2011).</li>
<li>Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically+robust+3D+graphene+macroassembly+with+high+surface+area%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">Mechanically robust 3D graphene macroassembly with high surface area.</a> Chem Commun. 48 (67), 8428-8430 (2012).</li>
<li>Biener, J., Stadermann, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+carbon+aerogels+for+energy+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Energ.+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Advanced carbon aerogels for energy applications.</a> Energ. Environ. Sci. 4 (3), 656-667 (2011).</li>
<li>Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., Satcher, J. H., Hamza, A. V., Baumann, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically+robust+and+electrically+conductive+carbon+nanotube+foams%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanically robust and electrically conductive carbon nanotube foams.</a> Appl. Phys. Lett. 94 (7), 073115(2009).</li>
<li>Worsley, M. A., Pauzauskie, P. J., Olson, T. Y., Biener, J., Satcher, J. H., Baumann, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+graphene+aerogel+with+high+electrical+conductivity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity.</a> J. Am. Chem. Soc. 132 (40), 14067-14069 (2010).</li>
<li>Fu, R., Baumann, T. F., Cronin, S., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M. S., Satcher, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+Graphitic+Structures+in+Cobalt-+and+Nickel-Doped+Carbon+Aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Formation of Graphitic Structures in Cobalt- and Nickel-Doped Carbon Aerogels.</a> Langmuir. 21 (7), 2647-2651 (2005).</li>
<li>Worsley, M. A., Pham, T. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+Characterization+of+Highly+Crystalline+Graphene+Aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Synthesis and Characterization of Highly Crystalline Graphene Aerogels.</a> ACS Nano. 8 (10), 11013-11022 (2014).</li>
<li>Campbell, P. G., Merrill, M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Battery%2Fsupercapacitor+hybrid+via+non-covalent+functionalization+of+graphene+macro-assemblies%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem.+A%22%5BJournal%5D)">Battery/supercapacitor hybrid via non-covalent functionalization of graphene macro-assemblies.</a> J. Mater. Chem. A. 2, 17764-17770 (2014).</li>
<li>Worsley, M. A., Charnvanichborikarn, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+Macroscale%2C+Isotropic+Carbons+with+Graphene-Sheet-Like+Electrical+and+Mechanical+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Toward Macroscale, Isotropic Carbons with Graphene-Sheet-Like Electrical and Mechanical Properties.</a> Adv. Funct. Mater. 24 (27), 4259-4264 (2014).</li>
<li>Baumann, T. F., Worsley, M. A., Han, T. Y. -J., Satcher, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+surface+area+carbon+aerogel+monoliths+with+hierarchical+porosity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">High surface area carbon aerogel monoliths with hierarchical porosity.</a> J. Non-Cryst. Solids. 354 (29), 3513-3515 (2008).</li>
<li>Baumann, T. F., Satcher, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Template-directed+synthesis+of+periodic+macroporous+organic+and+carbon+aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Template-directed synthesis of periodic macroporous organic and carbon aerogels.</a> J. Non-Cryst. Solids. 350, 120-125 (2004).</li>
<li>Braff, W. A., Bazant, M. Z., Buie, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane-less+hydrogen+bromine+flow+battery%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Comms%22%5BJournal%5D)">Membrane-less hydrogen bromine flow battery.</a> Nat. Comms. 4, 1-6 (2013).</li>
<li>Zhu, C., Han, T. Y., Duoss, E. B., Golobic, A. M., Kuntz, J. D., Spadaccini, C. M., Worsley, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+compressible+3D+periodic+graphene+aerogel+microlattices%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comms%22%5BJournal%5D)">Highly compressible 3D periodic graphene aerogel microlattices.</a> Nat Comms. 6, (2015).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-Low+Density%2C+Monolithic+WS2%2C+MoS2%2C+and+MoS2+Graphene+Aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Ultra-Low Density, Monolithic WS2, MoS2, and MoS2 Graphene Aerogels.</a> ACS Nano. 9 (5), 4698-4705 (2015).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Es importante señalar que los procedimientos descritos aquí son sólo representativas. Muchos ajustes son posibles a los materiales ajustar para una aplicación específica. Por ejemplo, la variación de las concentraciones de material de partida, manteniendo resorcinol / formaldehído (RF) relación constante, puede tener un impacto en la densidad del material final. La carga del catalizador puede alterar la morfología de los poros, como una mayor carga en el procedimiento de RF conduce a partículas primarias más pequeñas y ...

Desde el aislamiento de grafeno en 2004, 1 interés en el aprovechamiento de sus propiedades únicas ha llevado a un intenso esfuerzo dirigido hacia el grafeno montaje en estructuras tridimensionales, monolíticas que conservan las propiedades de las hojas de grafeno individuales. 2-5 Estos esfuerzos se han visto obstaculizados por la hecho de que el grafeno en sí es costoso y consume tiempo para producir y tiende a agregarse en solución, lo que limita la escalabilidad de materiales basados ​​en bloques de construcción de grafeno. Adicionalmente, los conjuntos de grafeno son típicamente compuestos por interacciones físicas de reticulación (por ejemplo, fuerzas de van der Walls) entre las láminas de grafeno individuales, que son mucho menos conductor y mecánicamente robusto que el enlace químico enlaces cruzados. Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ha estado involucrado en el desarrollo de nuevos materiales porosos, de baja densidad de carbono desde los años 1980. 6 Varias estrategias se han identificado para la fabricación en masa produmateriales cible basados ​​en el grafeno monolíticas granel de ambas espumas de bajo costo de polímero derivado de carbono, que se llaman los aerogeles de grafeno (gas), 7, así como por la reticulación directa de óxido de grafeno (GO) hojas, que son llamados macro grafeno ensamblajes (GMAS 8,9). Estos materiales a granel en la zona de la superficie ultra altas tienen altas conductividades eléctricas y térmicas, resistencia mecánica y elasticidad excepcional, y morfologías de poro sintonizable. Gas y GMA han encontrado utilidad en numerosas aplicaciones, incluyendo materiales de electrodos de supercondensadores y baterías recargables, catalizador avanzada apoya, adsorbentes, aislamiento térmico, sensores y desalinización. 10 La síntesis de los aerogeles de grafeno comienza con la polimerización sol-gel de una solución acuosa de resorcinol y formaldehído para generar geles orgánicos altamente reticulados. Estos geles se lavan con agua y acetona, después se secó utilizando CO 2 supercrítico y pirolizaron en un iambiente NERT para dar aerogeles de carbono con una superficie relativamente bajo y el volumen de los poros. Aerogeles de carbono son activados por la retirada controlada de átomos de carbono bajo condiciones de oxidante suave (por ejemplo, CO 2) para formar un material reticulado compuesto de ambos nanoplatelets de carbono y grafito amorfo, con una mayor área de superficie y abierta la morfología de los poros. 7 Una ventaja única de la síntesis sol-gel es que el gas se puede fabricar en una variedad de formas, incluyendo monolitos y películas delgadas, dependiendo de las necesidades de la aplicación. Los nanotubos de carbono 11 y / o láminas de grafeno 12 se pueden integrar en gas mediante la inclusión de estos aditivos en la solución de precursor de sol-gel. Esto genera estructuras de material compuesto en el que el aditivo se convierte en una parte de la estructura de red de carbono primario. Además, el marco GA se puede funcionalizar después de la carbonización / activación sea a través de modificación de la superficie aerogel o por medio de la deposición de materiales,por ejemplo catalizador de nanopartículas, en la estructura del marco. 13 Grafeno macro-conjuntos (GMAS) se preparan mediante directamente de reticulación de óxido suspendido grafeno (GO) hojas, aprovechando su funcionalidad química inherente. 9 hojas GO contienen una variedad de grupos funcionales, incluyendo epóxido y restos de hidróxido, que puede servir como químicas sitios de reticulación. Al igual que en la preparación GA, montado GMA se supercríticamente seca para preservar la red porosa, entonces piroliza para reducir los químicos enlaces cruzados en puentes de carbono conductores que proporcionan soporte estructural para la asamblea. Debido a los puentes de carbono covalentes entre láminas de grafeno, GMA tienen conductividades eléctricas y rigidez mecánica que son órdenes de magnitud mayor que los conjuntos de grafeno formadas con reticulación física. Además, GMA tienen áreas de superficie que se acercan al valor teórico de una sola hoja de grafeno. T térmico post-sintéticaratamiento a temperaturas elevadas (&gt; 1050 ° C) puede mejorar significativamente la cristalinidad de GMA, que conduce a aún más altas conductividades y módulos de Young, así como resistencia a la oxidación mejor térmico. tratamiento químico 14 Post-sintética de GMA con moléculas orgánicas con actividad redox tales como antraquinona puede aumentar la capacidad de almacenamiento de carga en aplicaciones supercondensadores. 15 Las propiedades del material sintonizable de gas y GMA son, en parte, resultado de la cuidadosamente condiciones variables sintéticas tales como reactivo y catalizador concentraciones, el tiempo de curado y la temperatura, las condiciones de secado, y los procesos de carbonización / activación. 16 Este protocolo de vídeo detallada tiene como objetivo resolver las ambigüedades en los métodos publicados, y para guiar a los investigadores que intentan reproducir los materiales y condiciones.

<table><tbody><tr><td>Tubos baratos</td> <td>de óxido de grafeno de una sola capa</td><td>n/a</td><td>300-800&#160; nm XY</td></tr><tr><td>dimensiones nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT)</td><td>Carbon Solutions</td><td>P2-SWNT</td><td></td></tr><tr><td>resorcinol</td><td>Aldrich</td><td>398047-500G</td><td></td></tr><tr><td>Solución de formaldehído al 37% en agua</td><td>Aldrich</td><td>252549</td><td></td></tr><tr><td>ácido acético</td><td>Aldrich</td><td>320099</td><td></td></tr><tr><td>solución de hidróxido de amonio 28-30% NH3 base</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td>320145</tr><tr><td>carbonato de sodio</td><td>Aldrich</td><td>791768</td><td></td></tr><tr><td>antraquinona</td><td>Aldrich</td><td>a90004</td><td></td></tr><tr><td>Polaron secador supercrítico</td><td>Electron Microscopy</td><td>Sciences EMS 3100</td><td>este es un modelo representativo, cualquier secador de punto crítico compatible con acetona debería funcionar</td></tr></tbody></table>

síntesis y funcionalización de 3d materiales nano-grafeno: grafeno aerogeles y grafeno asambleas macro

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Los esfuerzos para montar el grafeno en estructuras monolíticas tridimensionales se han visto obstaculizados por el alto costo y la mala procesabilidad de grafeno. Además, la mayoría informó asambleas de grafeno se mantienen unidas a través de interacciones físicas (por ejemplo, fuerzas de van der Waals) en lugar de los enlaces químicos, que limitan su resistencia mecánica y conductividad. Este video detalles del método recientemente desarrollado estrategias para fabricar, materiales a granel basados ​​en el grafeno masa producible derivados de cualquiera de espumas de polímero o de óxido de grafeno de una sola capa. Estos materiales consisten principalmente en hojas de grafeno individuales conectados a través de conectores de carbono unidos covalentemente. Se mantienen las propiedades favorables de grafeno tales como alta área superficial y alta conductividad eléctrica y térmica, combinado con la morfología de poro sintonizable y resistencia mecánica excepcional y elasticidad. Este método sintético flexible puede extenderse a la fabricación de nanotubos de polímero / carbono (CNT) unad polímero / óxido de grafeno (GO) los materiales compuestos. Además, la funcionalización de post-sintética adicional con antraquinona se describe, lo que permite un aumento dramático en el rendimiento de almacenamiento de carga en aplicaciones de supercondensadores.

La evolución de la composición del material y la morfología durante la fabricación puede ser rastreado en diversas formas, incluyendo difracción de rayos X, espectroscopia de Raman y RMN, microscopía electrónica, y porosimetría. Por ejemplo, en la síntesis, pirólisis, y CO 2 activación de gas, la conversión fue seguido por difracción de rayos X (XRD) (Figura 1E). La ausencia del pico (002) de difracción relacionadas apilamiento-en el patrón de difracción de rayos X después de...

Este método de video describe la síntesis de materiales monolíticos basados en grafeno 3D de alta superficie derivados de precursores de polímeros, así como óxido de grafeno de una sola capa.

Síntesis y funcionalización de 3D Materiales Nano-grafeno: grafeno aerogeles y grafeno Asambleas Macro

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

La ruta de síntesis de geles sol-gel flexibles permite producir materiales con densidad, área superficial y tamaño de poro ajustables, que pueden moldearse en diversas formas, incluyendo monolitos y películas delgadas. La síntesis comienza combinando un catalizador con la solución precursora y dejando que la mezcla se cure a temperatura moderada. Esto produce un gel monolítico completamente reticulado con disolvente atrapado en la estructura porosa.El tiempo y la temperatura de curado pueden utilizarse para controlar la morfología del material producido. Como segundo paso, el gel húmedo se seca utilizando CO2 supercrítico para preservar la nanoestructura. El material ahora es un gel aerogel.A continuación, el gel en forma de flecha se calienta a alta temperatura en una atmósfera inerte con el fin de carbonizarlo, eliminando los grupos funcionales que contienen oxígeno y convirtiendo los entrecruzamientos químicos en enlaces SP dos conductivos. Los materiales resultantes son herramientas analíticas robustas tanto química como mecánicamente; se utilizan técnicas como la microscopía electrónica de barrido para caracterizar la morfología, medir el área superficial y determinar la distribución del tamaño de poros. Un tratamiento superficial posterior a la síntesis puede emplearse para mejorar propiedades deseadas, como la capacidad de almacenamiento de carga.Los geles de aire de carbono fueron inventados en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en la década de 1980, y hemos continuado desarrollando materiales de baja densidad con área superficial ultra alta. La síntesis de geles de carbono que verán hoy es altamente flexible, lo que nos permite desarrollar materiales para satisfacer las necesidades únicas de la investigación que se lleva a cabo aquí en Livermore. La principal ventaja de esta técnica frente a los métodos existentes para producir materiales de carbono de baja densidad y alta superficie específica es que podemos producir materiales monolíticos completamente entrecruzados con enlaces de carbono sp².Estos enlaces de carbono producen un material que es altamente conductor eléctricamente y posee muy buenas propiedades mecánicas, todo ello sin el uso de aglutinantes ni cargas conductoras. Esta metodología permite un control exquisito sobre la densidad, el área superficial, el tamaño y el volumen de los poros. Puede utilizarse para producir materiales para diversas aplicaciones, incluyendo electrodos para baterías y supercondensadores, soportes para nanopartículas y otros catalizadores, así como materiales estructurales ultrarresistentes y ligeros.Para sintetizar un gel de carbono catalizado con ácido acético, comience por triturar 112 milimoles de resorcinol hasta obtener un polvo y añádalo a un vial de centelleo de 40 mililitros. Luego agregue 15 mililitros de agua desionizada y vortexice esta mezcla durante un minuto. A continuación, añada la suspensión a 224 milimoles de una solución al 37 % de formaldehído y vortexice la mezcla durante otro minuto.El recurso y todo debería estar completamente disuelto en este punto. Finalmente, agregue siete milimoles de ácido acético glacial y vortex. De nuevo, esta solución ya está lista para ser curada y secada con el fin de crear un compuesto de RF y óxido de grafeno o geo.Primero, utilice un baño ultrasónico para crear una suspensión al uno por ciento en peso de óxido de grafeno en agua ionizada. A continuación, tome 11,2 milimoles de RESORCINOL y añádalos a 1,5 gramos de la suspensión de óxido de grafeno. 22,1 milimoles de una solución de formaldehído al 37 % y 56 micromoles de carbonato de sodio como catalizador.Este compuesto ya está listo para el curado y secado. Para comenzar la síntesis catalizada por hidróxido de amonio, pase al ensamblaje, agregue 20 mililitros de agua desionizada a 400 miligramos de capa simple. Coloque en un vial de centelleo de 40 mililitros y vortexee durante un minuto.Utilice un baño ultrasónico para dispersar completamente la mezcla. La dispersión completa puede tardar hasta 24 horas. Una suspensión adecuadamente dispersa no debe fluir cuando el vial se invierte; agregue 0,211 mililitros de hidróxido de amonio concentrado por gramo de suspensión geo.Luego, transfiera la suspensión de geo con catalizador a un molde de vidrio y séllelo herméticamente. Colóquelo en el horno a 80 grados Celsius y cure durante 72 horas. Retire el líquido sennett del vial y reemplácelo con agua DI.Luego, lávese en un baño de agua para eliminar los materiales residuales. Cambie el agua del baño dos veces a intervalos de 12 horas. A continuación, elimine el exceso de agua y transfiera la muestra del baño de agua a un baño de acetona.Sustituir con acetona fresca dos veces tras intervalos de 12 horas. Después del lavado, cargar la muestra en un aparato de secado supercrítico que esté lleno de acetona y que circule un refrigerante entre 12 y 15 grados Celsius. A continuación, sellar el secador e intercambiar completamente la acetona por dióxido de carbono líquido.Cuando ya no gotee acetona del escape del secador, cierre el suministro de dióxido de carbono. Eleve la temperatura del refrigerante a 55 grados Celsius mientras mantiene una presión entre 1200 y 1600 PS.I. Mantenga la temperatura del refrigerante a 55 grados Celsius durante una hora. Luego, ventile lentamente el dióxido de carbono durante dos a doce horas mientras mantiene la temperatura del refrigerante a 55 grados Celsius.Retire las muestras una vez que el dióxido de carbono se haya liberado completamente. Una vez que los geles de flecha de grafeno se hayan curado y secado adecuadamente, cargue las muestras grandes en un barco o recipiente similar y coloque las muestras en forma de disco entre dos hojas de papel de carbono con un peso encima para evitar que se enrollen. Trasládelos a una atmósfera inerte para su carbonización.Aumente la temperatura a una velocidad de cinco grados Celsius por minuto hasta alcanzar 1050 grados Celsius, y luego mantenga la reacción a 1050 grados Celsius durante tres horas. Para obtener microensamblajes de grafeno altamente cristalinos, aumente la temperatura a una velocidad de 100 grados Celsius por minuto y mantenga la espuma a 2,500 grados Celsius durante una hora. Una vez que la espuma esté carbonizada, puede ser funcionalizada con quinona de actividad redox.Para mejorar la capacidad de almacenamiento de carga, primero prepare una solución de antraquinona a tres milimolares en etanol anhidro y caliente la solución en un vial sellado a 75 grados Celsius. Para disolver la antraquinona, agregue la solución de quinona caliente al ensamblaje macroscópico de grafeno en dos mililitros. Por cada miligramo de material en un vial sellado, sumerja el ensamblaje macroscópico durante dos horas a 75 grados Celsius, luego vierta la solución excedente del vial y deje el vial destapado a 75 grados Celsius durante la noche para secar el material.El seguimiento de la morfología y la evolución de la composición del material puede realizarse utilizando una variedad de métodos analíticos; la microscopía electrónica de barrido y la microscopía electrónica de transmisión se emplean para examinar la morfología del material, mientras que los resultados del análisis de difracción de rayos X y del espectroscopio Raman son consistentes con un material similar al grafeno. La porosidad asimétrica se utiliza para determinar el volumen de poros y la distribución del tamaño de poros. La resonancia magnética nuclear en estado sólido o RMN se utiliza para seguir la transformación del óxido de grafeno en macroensamblajes de grafeno.Al comparar los espectros de RMN de carbono-13, se observa una reducción significativa de picos correspondientes a la funcionalidad de epóxido e hidroxilo tras la curación, mientras que la presencia de un pico atícico aparece después de la carbonización. La RMN de protón destaca la eliminación de los grupos metileno y metoxi. Estas eliminaciones sugieren que los enlaces cruzados de carbono hibridado sp³ se convierten térmicamente en conductores.SP dos uniones de carbono hibridadas durante la carbonización, la funcionalización posterior con quinona se verifica mediante análisis termogravimétrico. La pérdida de masa es consistente con una carga del 10 al 14 por ciento en peso, y el aumento de temperatura en comparación con la quinona a granel indica una cinética de desorción limitada por difusión. La capacidad mejorada de almacenamiento de carga se mide mediante voltametría cíclica, lo que indica un aumento casi triple incluso a tasas muy altas.Utilizando este procedimiento como guía general, se pueden modificar aditivos como nanotubos de carbono o óxido de grafeno, así como las concentraciones de reacción, con el fin de ajustar las propiedades del material a sus necesidades específicas. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo sintetizar aerogeles de grafeno de alta área superficial, partiendo de precursores simples y económicos.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

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Aprende a sintetizar aerogeles de grafeno 3D con área superficial ajustable mediante curado controlado y secado con CO2 supercrítico. Este método permite producir materiales monolíticos para aplicaciones en almacenamiento de energía y catalisis.

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