Waiting
Elaborazione accesso...

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

Engineering

Syntese og Funktionalisering af 3D Nano-graphene Materialer: Graphene Aerogeler og Graphene Macro forsamlinger

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

Abstract

Bestræbelserne på at samle graphene i tre-dimensionelle monolitiske strukturer er blevet hæmmet af de høje omkostninger og dårlig bearbejdelighed af graphene. Derudover er de fleste rapporterede graphene forsamlinger holdes sammen gennem fysiske interaktioner (f.eks van der Waals kræfter) snarere end kemiske bindinger, hvilket begrænser deres mekaniske styrke og ledningsevne. Videoen metode detaljer nylig udviklet strategier til at fabrikere masse-produceres, graphene-baserede bulk materialer, der stammer fra enten polymer skum eller enkelt lag graphene oxid. Disse materialer består primært af individuelle graphene plader forbundet gennem kovalent bundet kulstof indeksobligationer. De fastholder de gunstige egenskaber af graphene såsom høj overfladeareal og høj elektrisk og termisk ledningsevne, kombineret med justerbar pore morfologi og exceptionel mekanisk styrke og elasticitet. Denne fleksible syntetiske fremgangsmåde kan udvides til fremstilling af polymer / carbon nanorør (CNT) end polymer / graphene oxid (GO) kompositmaterialer. Desuden er yderligere post-syntetisk funktionalisering med anthraquinon beskrevet, som muliggør en dramatisk stigning i ladningslagringsanordningen resultater i supercapacitor ansøgninger.

Introduction

Da isoleringen af graphene i 2004, har 1 interesse i at udnytte sine unikke egenskaber førte til en intens indsats rettet mod at samle graphene i tre-dimensionelle, monolitiske strukturer, der bevarer egenskaberne af de enkelte graphene ark. 2-5 Disse bestræbelser er blevet vanskeliggjort af den at graphene selv er dyrt og tidskrævende at fremstille og har tendens til at aggregere i opløsning, hvilket begrænser skalerbarhed af materialer baseret på graphene byggesten. Derudover er graphene samlinger omfatter typisk fysisk tværbindende vekselvirkninger (f.eks, van der Walls kræfter) mellem de enkelte graphene ark, som er langt mindre ledende og mekanisk robust end kemisk binding tværbinder. Lawrence Livermore National Laboratory har været involveret i udviklingen af nye porøse, low-density carbon materialer siden 1980'erne. 6 Adskillige strategier er blevet identificeret til at fabrikere masse-produCIBLE graphene-baserede monolitiske bulk materialer fra både billige polymer-afledt kulstof skum, som kaldes graphene aerogeler (gas), 7 samt ved direkte krydsbinding af graphene oxid (GO) ark, som kaldes graphene makro- forsamlinger (GMAs). 8,9 Disse ultrahøje overfladeareal bulk-materialer har høje elektriske og termiske ledningsevne, exceptionel mekanisk styrke og elasticitet og tunable pore morfologier. Gas og GMAs har fundet anvendelse i en lang række applikationer, herunder elektrode materialer i supercapacitors og genopladelige batterier, avanceret katalysator understøtter, adsorbenter, varmeisolering, sensorer og afsaltning. 10

Syntesen af ​​graphene aerogeler begynder med sol-gel polymerisation af en vandig opløsning af resorcinol og formaldehyd til at generere meget tværbundne organiske geler. Disse geler vaskes med vand og acetone, derefter tørret under anvendelse af superkritisk CO2 og pyrolyseres i en inert atmosfære til opnåelse af carbon aerogeler med relativt lavt overfladeareal og porevolumen. Carbon aerogeler aktiveres ved kontrolleret fjernelse af carbonatomer under milde oxiderende tilstand (f.eks, CO 2) til dannelse af et tværbundet materiale bestående af både amorf carbon og grafit nanoplatelets, med større overfladeareal og åben pore morfologi. 7 En unik fordel ved sol-gel-syntese er, at gassen kan være fremstillet i en række forskellige former, herunder monolitter og tynde film, afhængigt af behovene i programmet. Kulstofnanorør 11 og / eller graphene ark 12 kan integreres i gas ved at medtage disse tilsætningsstoffer i sol-gel forstadium løsning. Dette genererer kompositstrukturer, hvor tilsætningsstoffet bliver en del af den primære carbon netstruktur. Derudover kan GA ramme funktionaliseres efter carbonisering / aktivering enten ved modifikation af aerogel overflade eller gennem udfældning af materialer,for eksempel katalysator nanopartikler, på rammekonstruktion. 13

Graphene makro-forsamlinger (GMAs) fremstilles ved direkte krydsbinding suspenderet graphene oxid (GO) ark, drage fordel af deres iboende kemiske funktionalitet. 9 GO ark indeholder en bred vifte af funktionelle grupper, herunder epoxid og hydroxid dele, der kan tjene som kemiske tværbindingspositioner. Som i GA forberedelse, samlet GMAs er superkritisk tørres for at bevare den porøse netværk, så pyroliserede at reducere de kemiske tværbindinger i ledende kulstof broer, der giver strukturstøtte til samlingen. På grund af de kovalente kulstof broer mellem graphene ark, GMAs har elektriske ledningsevner og mekanisk stivhed, der er størrelsesordener højere end graphene forsamlinger dannet med fysisk krydsbinding. Derudover GMAs har overfladearealer nærmer den teoretiske værdi af et enkelt graphene ark. Post-syntetiske termisk tEHANDLING ved forhøjede temperaturer (> 1.050 ° C), kan forbedre krystalliniteten af GMAs, hvilket fører til endnu højere ledningsevner og Youngs moduli samt bedre termisk modstand mod oxidering. 14 Post-syntetisk kemisk behandling af GMAs med redox-aktive organiske molekyler, såsom anthraquinon kan øge afgift lagerkapacitet i supercapacitor applikationer. 15

De tunable materialeegenskaber af gas og GMAs er til dels et resultat af nøje varierende syntetiske forhold såsom reagenser og katalysatorkoncentrationer, hærdetid og temperatur, tørrebetingelser og forkulning / aktivering processer. 16 Dette detaljeret video protokol har til formål at løse tvetydigheder i de offentliggjorte metoder, og til at vejlede forskerne forsøger at gengive de materialer og betingelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Resorcinol-formaldehyd (RF) Afledt Graphene Aerogeler

  1. Na 2 CO 3 katalyseret carbon aerogel (11% tørstof, CRF)
    1. I et 40 ml scintillationshætteglas, tilsættes deioniseret vand (7,1 ml) til resorcinol (0,625 g, 5,68 mmol) og blandes på en vortex i 1 min. Crush store resorcinol stykker til pulver under anvendelse af en morter og støder før tilsætning af vand. Bemærk, at de ikke kan opløses fuldstændigt indtil næste trin.
    2. Tilføj 37% formaldehydopløsning (0,900 g, 11,4 mmol) til resorcinol opslæmningen og vortex i 1 min.
    3. Tilføj natriumcarbonat (0,003 g, 0,028 mmol) til reaktionsblandingen og vortex i 1 min.
    4. Overfør reaktionsblandingen til glasforme, der kan forsegles lufttæt (f.eks hætteglas eller objektglas der er adskilt af en silikonepakning), der definerer formen af det resulterende faste del.
    5. Placer de forseglede forme i en 80 ° C ovn og at hærde i 72 timer.
    6. Efter hærdning fjernes solid bautasten fra glasset skimmel og vask med vand til tilbageværende uomsatte udgangsmaterialer og katalysator fjerne. Typisk vi udfører 3 x 12 HR vaske med frisk DI H 2 O. Materialet er nu klar til tørring.
  2. Eddikesyre katalyseret carbon aerogel (AARF) 17
    1. I et 40 ml scintillationshætteglas, tilsættes deioniseret vand (15 ml) til resorcinol (12,3 g, 0,112 mol) og blandes på en vortex i 1 min. Crush store resorcinol stykker til pulver under anvendelse af en morter og støder før tilsætning af vand. Bemærk, at de ikke kan opløses fuldstændigt indtil næste trin.
    2. Tilføj 37% formaldehydopløsning (17,9 g, 0,224 mol) til opslæmningen resorcinol og vortex i 1 min.
    3. Tilføj iseddikesyre (0,44 g, 0,007 mol) til reaktionsblandingen, og vortex i 1 min.
    4. Overfør reaktionsblandingen til glasforme, der kan forsegles lufttæt (f.eks hætteglas eller objektglas der er adskilt af en silikonepakning), som definerer formen af resulting faste del.
    5. Placer de forseglede forme i en 80 ° C ovn og at hærde i 72 timer.
    6. Efter hærdning fjernes de faste monolitter fra glasset skimmel og vask med vand til tilbageværende uomsatte udgangsmaterialer og katalysator fjerne. Typisk vi udfører 3 x 12 HR vaske med frisk DI H 2 O. Materialet er nu klar til tørring.
  3. Carbon Tilsætningsstoffer til RF forstadie opløsning (CNT, GO)
    1. Carbon nanorør / RF komposit 11
      1. Suspendere 1 vægt-% single-walled carbon nano-rør i deioniseret vand og grundigt sprede bruge et ultralydsbad (sonisk effekt 90 W, frekvens 40 kHz).
      2. Tilføj resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehyd (1,791 g, 22,1 mmol) og natriumcarbonat-katalysator (5,95 mg, 0,056 mmol) til 1,5 g af CNT dispersion.
      3. Overfør reaktionsblandingen til glasforme, der kan forsegles lufttæt (f.eks hætteglas eller objektglas der er adskilt af en silikonepakning), som define formen af ​​det resulterende faste del.
      4. Placer de forseglede forme i en 80 ° C ovn og at hærde i 72 timer.
      5. Efter hærdning fjernes de faste monolitter fra glasset skimmel og vask med vand til tilbageværende uomsatte udgangsmaterialer og katalysator fjerne. Udfører typisk 3 x 12 HR vaske med frisk DI H 2 O. Materialet er nu klar til tørring.
    2. Graphene oxid / RF komposit 12
      1. Suspendere 1 vægt-% graphene oxid (GO, 300-800 nm i diameter) i deioniseret vand og grundigt sprede bruge et ultralydsbad (sonisk effekt 90 W, frekvens 40 kHz).
      2. Tilføj resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehyd (1,791 g, 22,1 mmol, 37% opløsning) og natriumcarbonat-katalysator (5,95 mg, 0,056 mmol) til 1,5 g GO dispersion.
      3. Overfør reaktionsblandingen til glasforme, der kan forsegles lufttæt (f.eks hætteglas eller objektglas der er adskilt af en silikonepakning), der definerer formen afresulterende faste del.
      4. Placer de forseglede forme i en 80 ° C ovn og at hærde i 72 timer.
      5. Efter hærdning fjernes de faste monolitter fra glasset skimmel og vask med vand til tilbageværende uomsatte udgangsmaterialer og katalysator fjerne. Udfører typisk 3 x 12 HR vaske med frisk DI H 2 O. Materialet er nu klar til tørring.
  4. Tørring
    1. Superkritisk CO 2
      1. Forbered vaskede prøver til tørring med superkritisk CO2 ved at udskifte H2O opløsningsmiddel med acetone. Fjern prøve fra vandbadet og anbringes i bad, der indeholder ren acetone. Erstat med frisk acetone to gange mere med 12 timers intervaller.
      2. Load acetone-udvekslet prøver til et superkritisk apparat tørring, fyldt med acetone og med cirkulerende kølemiddel ved 12-15 ° C.
      3. Seal superkritisk tørretumbler og udveksling med flydende CO2, indtil der ikke acetone rester (4-24 timer afhængigt on stikprøvestørrelse, tæthed, pore morfologi, etc.).
      4. Sluk CO 2 forsyning og øge temperaturen af cirkulerende kølemiddel til 55 ° C, samtidig med at trykket i det superkritiske tørretumbler mellem 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Hold ved 55 ° C i 1 time.
      5. Langsomt udlufte CO2 (2-12 timer), medens temperaturen af cirkulerende kølemiddel ved 55 ° C. Fjern prøver.
    2. Ambient tørring (xerogel)
      1. Forbered vaskede prøver til tørring under omgivelsernes betingelser ved at udskifte H2O opløsningsmiddel med acetone. Fjern prøve fra vandbadet og anbringes i bad, der indeholder ren acetone. Erstat med frisk acetone to gange mere med 12 timers intervaller.
      2. Placer acetone-udvekslet prøver på en ren overflade (fx Teflon blok). At bremse hastigheden af ​​opløsningsmiddel fordampning for at forhindre revner og ujævn krympning, dække prøven med en omvendt bæger med tilstrækkelig volumen til at give masser af heaDSpace.
      3. Tillad opløsningsmidlerne fordampe for (24-72 timer).
  5. Forkulning
    1. Udfør forkoksning af tørrede skum ved 1.050 ° C under N2-atmosfære. Rampe fra RT med en hastighed på 5 ° C / min, og hold ved 1.050 ° C i 3 timer. Bemærk, at kan være nødvendigt at være placeret mellem to ark af grafit papir (eller andet temperatur stabilt, ikke-reaktivt materiale) med vægt på toppen for at forhindre krølning og tynde prøver "kartoffel chipping."
  6. Aktivering
    1. Aktivere en AARF carbon skum (2 cm x 3 cm x 4 mm, 1,2 g) for at frembringe 3D nanographene (3D-NG) under strømmende CO2 (10 SCCM) ved 950 ° C i 5 timer. 7

2. Graphene Oxide Afledte Graphene Macro forsamlinger

  1. NH4OH katalyseret GO samling
    1. I et 40 ml scintillationshætteglas, tilsættes deioniseret vand (20 ml) til 400 mg enkelt lag graphene oxide (GO, 300-800 nm i diameter). Grundigt sprede bruge et ultralydsbad (sonisk effekt 90 W, frekvens 40 kHz) O / N.
    2. Tilføj koncentreret NH4OH-opløsning (0,211 ml pr g GO suspension).
    3. Overføres til glasforme, der kan forsegles lufttæt (f.eks hætteglas eller objektglas der er adskilt af en silikonepakning, der definerer formen af det resulterende faste del).
    4. Placer de forseglede forme i en 80 ° C ovn og at hærde i 72 timer.
    5. Efter hærdning fjernes de faste monolitter fra glasset skimmel og vask med vand til tilbageværende uomsatte udgangsmaterialer og katalysator fjerne. Udfører typisk 3 x 12 HR vaske med frisk DI H 2 O. Materialet er nu klar til tørring.
  2. Tørring
    1. Superkritisk CO 2
      1. Forbered vaskede prøver til tørring med superkritisk CO2 ved at udskifte H2O opløsningsmiddel med acetone. Fjern prøve fra vandbadet og anbringes i bad containing ren acetone. Erstat med frisk acetone to gange mere med 12 timers intervaller.
      2. Load acetone-udvekslet prøver til et superkritisk apparat tørring, fyldt med acetone og med cirkulerende kølemiddel ved 12-15 ° C.
      3. Seal superkritisk tørretumbler og udveksling med flydende CO2, indtil der ikke acetone rester (4-24 timer afhængig af prøvens størrelse, tæthed, pore morfologi, etc.). Fuldstændig bytning indikeres ved ophør af acetone drypper på udstødningsventilen af ​​det superkritiske tørretumbler.
      4. Sluk CO 2 forsyning og øge temperaturen af cirkulerende kølemiddel til 55 ° C, samtidig med at trykket i det superkritiske tørretumbler mellem 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Hold ved 55 ° C i 1 time.
      5. Langsomt udlufte CO2 (2-12 timer), medens temperaturen af cirkulerende kølemiddel ved 55 ° C. Fjern prøver.
    2. Ambient tørring (xerogel)
      Bemærk, at kan være nødvendigt at være placeret mellem tynde prøverto plader af Teflon (eller andre ikke-klæbende materiale) med en vægt på toppen for at forhindre krølning og "potato chipping."
      1. Forbered vaskede prøver til tørring under omgivelsernes betingelser ved at udskifte H2O opløsningsmiddel med acetone. Fjern prøve fra vandbadet og anbringes i bad, der indeholder ren acetone. Erstat med frisk acetone to gange mere med 12 timers intervaller.
      2. Placer acetone-udvekslet prøver på en ren overflade (fx Teflon blok). At bremse hastigheden af ​​opløsningsmiddel fordampning for at forhindre revner og ujævn krympning, dække prøven med en omvendt bæger med tilstrækkelig volumen til at give masser af headspace.
      3. Tillad opløsningsmidlerne fordampe for (24-72 timer).
  3. Forkulning
    1. Udfør forkoksning af tørrede skum ved 1.050 ° C under N2-atmosfære. Rampe fra RT med en hastighed på 5 ° C / min, og hold ved 1.050 ° C i 3 timer. Bemærk, at kan være nødvendigt at blive placeret b tynde prøveretween to ark af grafit papir (eller andet temperatur stabilt, ikke-reaktivt materiale) med vægt på toppen for at forhindre curling og "kartoffel skår."
    2. Termisk anneal for højt krystallinsk GMA. Udfør yderligere termisk udglødning af forkullede skum ved temperaturer op til 2.500 ° C under Han atmosfære. Rampe fra RT med en hastighed på 100 ° C / min, og hold ved forhøjet temperatur i 1 time.
  4. Post-forkulning funktionalisering
    1. Ikke-kovalent anthraquinon funktionalisering (AQ-GMA)
      1. Der fremstilles en 3 mM opløsning af anthraquinon (AQ) i tørt EtOH. Varme i et forseglet hætteglas ved 75 ° C for at sikre fuldstændig opløsning.
      2. Tilføj varmt AQ løsning på GMA prøve (~ 2 ml / mg prøve). Blød i et forseglet hætteglas i 2 timer ved 75 ° C.
      3. Fjern overskydende AQ løsning fra hætteglasset og lad prøven tørres ved 75 ° CO / N (hætteglas hætten).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Udviklingen i materialesammensætningen og morfologi under fabrikation kan spores på forskellige måder, herunder røntgendiffraktion, Raman og NMR-spektroskopi, elektronmikroskopi og porøsimetri. For eksempel i syntesen, pyrolyse og CO 2 aktivering af gas, blev omdannelsen efterfulgt af røntgendiffraktion (XRD) (figur 1E). Fraværet af stabling-relaterede (002) diffraktion højdepunkt i XRD mønster efter aktivering (blå spor) angiver overgangen fra en struktur, der indeholder grafit nanoplatelets til én bestående af single-layer graphene. Scanning elektronmikroskopi (SEM) og høj opløsning transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) afslørede korte, lineære træk, som kunne identificeres som individuelle graphene ark kiggede på kant (figur 1C og D). Raman funktioner til GA er de samme som observeret for kommercielle graphene prøver dyrket ved kemisk dampaflejring (Figur 1F). Solid state kernemagnetisk resonans (NMR) blev anvendt til at følge omdannelsen af GO i GMA (figur 2), 9, som viser, at den betydelige epoxid og hydroxylfunktionalitet (toppe mellem 50 og 75 ppm), samt carbonylgrupper (168 ppm ) i 13C-NMR-spektret er stort set elimineret efter hærdning, og en alifatisk carbon peak (26 ppm) vises, hvilket antyder, at epoxid og hydroxylgrupper er involveret i tværbindingsmekanisme. Efter pyrolyse / forkulning kun sp 2 carbon peak forbliver og 1H NMR-spektrum (figur 2B) viser også fjernelsen af-CH2 - og -CH 2 O-dele, hvilket antyder, at de sp3 carbon-tværbindinger termisk blev omdannet til ledende sp 2 carbon vejkryds. GMA mikrostruktur blev analyseret ved SEM og synes den samme som rapporteret i andre graphene samlinger (figur 3 vist i figur 4A er type IV, hvilket indikerer en mesoporøse materiale. Indlæg syntetisk modifikation af GMA med anthraquinon blev karakteriseret ved termogravimetrisk analyse (TGA), med repræsentative isotermer præsenteret i figur 5B og C. Derivaterne af massetabet kurver viser toppe ved forskellige temperaturer for AQ-GMA og bulk AQ på grund af adsorption af AQ-molekylet på carbonsubstratet. Elektrokemisk karakterisering inkluderet cyklisk voltammetri (CV), hvilket viser, at AQ adsorption på GMA elektroden reversible og stabil faradaic ladningsopsamlingen (figur 6A).

Figur 1
Figur 1. Behandling og arkitektur 3D-NG (GA). (A) Skematisk af polymerbaseredetop-down tilgang. (B) Illustration af den mekaniske robusthed en centimeter-store 3D-NG prøve. (C) Åbn makroporøst netværksarkitektur bestående af mikrometer størrelse porer og ledbånd. (D) Intern struktur af ledbånd består af buede og sammenflettede graphene ark. Udvalgte double-layer regioner er præget af ovaler, og en typisk intensitet profil på tværs af sådan et dobbelt lag region er vist til venstre. (E) Røntgen diffraktion data, der bekræfter omdannelsen af den oprindelige flerlagede graphene komponent til en, der er domineret af single-layer graphene. (F) Sammenligning af Raman spektre i D / G band region fra 3D-NG og multiple lag graphene. Dette tal er blevet ændret fra ref. 7. Klik her for at se en større version af dette tal.

tynd-side = "altid"> Figur 2
Figur 2. NMR karakterisering under GMA montage og termisk forædling. (A) 13C-NMR spektre for GO pulver, GO efter indledende gelering, og 3D-graphene macroassembly. (B) 1H-NMR-spektre for GMA før og efter termisk annealing. Dette tal er blevet ændret fra ref. 9. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. FE-SEM billeder af brudfladen af 3D graphene macroassembly. (A) lav forstørrelse. (B) høj forstørrelse. Dette tal er blevet ændret fra ref. 9.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Pore morfologi GMAs. (A) Nitrogen adsorption / desorption isoterm. (B) porestørrelsesfordeling. Dette tal er blevet ændret fra ref. 9. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Syntese og karakterisering af AQ-GMAs. (A) Synteseprocedure og skematisk illustration af ikke-kovalent AQ funktionalisering af GMA elektroder. (B (C) TGA-kurven for bulk AQ (Ar flow 10 ml min-1, 10 ° C min -1 temperatur rampe). Afledte massetab kurver (stiplede linier) viser toppe ved forskellige temperaturer for AQ-GMA vs bulk-AQ. En højere temperatur på over 60 ° C angiver adsorption af AQ-molekyler på carbonsubstratet. Dette tal er blevet ændret fra ref. 15. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Elektrokemisk karakterisering af AQ-GMAs. (A) Cyklisk voltammogram (2 mV sek -1, 1 M HCI) til 250 mm tykke skiver GMA, som fremstillet (fast line) og med 12,4 vægt% AQ loading (stiplet linie). (B) CV'er af samme 12,4 vægt% AQ-GMA prøve ved forskellige mulige sweep satser. Det indsatte plot illustrerer, at AQ bidrag til at opkræve lagerkapacitet forbliver konstant indtil> 60 mV sek -1, hvor løsning modstand forårsager så store overspændinger, som AQ ikke kan lade inden den påførte spænding vinduet. (Kapacitet værdier blev udledt ved at integrere udledning peak forbundet med AQ og fratrække underliggende kapacitet GMA.) Dette tal er blevet ændret fra ref. 15. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det er vigtigt at bemærke, at de procedurer, der er beskrevet her, er udelukkende repræsentative. Mange justeringer er muligt at tune materialer til et bestemt program. For eksempel varierer udgangsmaterialet koncentrationer, samtidig med at resorcinol / formaldehyd (RF) forholdet konstant, kan have en indvirkning på det færdige materiale tæthed. Katalysator belastning kan ændre pore morfologi, som en højere belastning i RF proceduren fører til mindre primære partikler og vice-versa. Aktivering tid kan spille en rolle så godt; ved kortere aktiveringstider, er nye porøsitet genereres i form af mikroporer mens længere aktiveringstider mikroporer udvidet til størrelser, der krydser mikropore-mesopore grænsen 15 Derudover aktiveringstiden skal tage hensyn til vægten af udgangs-carbon skum.; Typiske udbytter fra aktiveringsprocessen beskrevet ovenfor blev Ca. 25% -30%, baseret på vægten af udgangsmaterialet carbon skum.

Forkulning temperatur giver også muligheder for materiale, tuning. Elektrisk ledningsevne stignings dramatisk over 800 ° C i RF-baserede materialer. Ved carboniseringscykler temperaturer over 1500 ° C, GMAs miste overfladeareal og blive mere graphitic, med færre fejl i graphene ark.

I modsætning til fleksibiliteten i materialet ovenfor beskrevne syntese, fandt vi, at når funktionalisere GMA materialer med anthraquinon, øget koncentration og længere opblødningstider resulterede ikke i højere AQ loading. Dette kan henføres til omtrent monolag AQ dækning, med lag ud over den første mangler stabiliserende van der Waals interaktioner med GMA substrat.

Fremtidige anvendelser af syntetiske protokollen beskrevet her omfatter indarbejde offer skabeloner til materiale fabrikation at definere makroporøsitet og optimere massetransport i for eksempel flow batteri elektroder. 18,19 arbejdes også at formulere RF og GO precursor løsninger for kompatibilitet med avanceret produktion (3Dudskrivning) teknikker såsom direkte blæk skrive og projektion microstereo litografi. 20. Endelig fortsætter vi med at udvikle nye kompositmaterialer baseret på 3D graphene stilladser. 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

Engineering Graphene sol-gel aerogel kulstof nanorør superkondensator batteri elektrode lav densitet høj overfladeareal
Syntese og Funktionalisering af 3D Nano-graphene Materialer: Graphene Aerogeler og Graphene Macro forsamlinger
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