Abstract
입체 모 놀리 식 구조로 그래 핀을 조립하기위한 노력은 높은 비용과 그래 핀의 가난한 가공성에 의해 방해되었다. 또한, 대부분은 그래 핀 조립체를 함께 기계적 강도 및 도전성을 제한하는 물리적 상호 작용 (예를 들어, 반 데르 발스 힘)이 아닌 화학적 결합을 통해 유지된다보고. 이 비디오 방법의 자세한 사항은 최근 고분자 폼 또는 단일 층 그래 핀 산화물 중 하나에서 파생 된 대량 생산 가능, 그래 핀 기반의 대량 재료를 제조하기위한 전략을 개발했다. 이 자료는 주로 공유 결합 탄소 링커를 통해 연결 개별 그래 핀 시트로 구성되어 있습니다. 그들은 이러한 동조 기공 모폴로지과 탁월한 기계적 강도 및 탄성과 함께 높은 표면적과 높은 전기 및 열 전도성 같은 그라의 양호한 특성을 유지한다. 이 방법은 유연한 합성 중합체 / 카본 나노 튜브 (CNT)의 제조에 확장 될 수있다중합체 D / 그래 핀 옥사이드 (GO) 복합 재료. 또한, 안트라 퀴논 부가적인 후 - 수퍼 합성 작용은 애플리케이션의 전하 저장 성능의 급격한 증가를 가능하게하는 기술된다.
Introduction
2004 년 그래 핀의 분리 때문에, 독특한 특성을 활용 1 관심은 개별 그래 핀 시트의 속성을 유지하는 세 가지 차원, 모 놀리 식 구조로 조립 그래 핀 향한 강렬한 노력을 주도하고있다. 2-5이 노력에 의해 방해되었다 그래 핀 자체가 고가이고 시간 소모적 인 생산 및 그라 핀 빌딩 블록에 기초한 물질의 확장 성을 제한 용액에 응집하는 경향이 있다는 사실. 또한, 그래 핀 조립체는 일반적으로 덜 전도성 및 화학적 결합 가교보다 기계적으로 견고 개개의 그라 펜 시트 간의 물리적 가교 결합 상호 작용 (예를 들어, 반 데르 발스 힘)로 구성된다. 로렌스 리버모어 국립 연구소는 1980 년부터 새로운 다공성 저밀도 탄소 재료의 개발에 관여하고있다.도 6은 몇 가지 전략 produ의 대량 제조에 식별 된그래 핀 거시라고 (GO) 시트, 그래 핀 에어로젤이라고 저가의 고분자 유래 탄소 폼, (가스), (7) 모두에서뿐만 아니라 그래 핀 산화물의 직접 교차 결합에 의해 cible 그래 핀 기반의 모 놀리 식 대량 재료 어셈블리 (GMA들). -8,9- 이러한 초고 표면적 벌크 물질은 높은 전기 및 열 전도성, 우수한 기계적 강도 및 탄성, 및 동조 기공 모폴로지를 갖는다. 가스와 GMA들은 전극 슈퍼 커패시터의 소재와 충전식 배터리, 고급 촉매 지원, 흡착제, 단열, 센서, 담수화 등 다양한 응용 프로그램에서 유틸리티를 발견했다. (10)
그라 에어로젤의 합성은 고도로 가교 결합 된 유기 겔을 생성하는 레 소르시 놀 및 포름 알데히드의 수용액의 졸 - 겔 중합을 시작한다. 이러한 겔은 난 다음에, 초 임계 이산화탄소를 이용하여 건조시키고, 물 및 아세톤으로 세정하고, 열분해nert 분위기는 상대적으로 낮은 표면적 및 세공 용적과 탄소 에어로젤을 얻었다. 탄소 에어로젤은 (CO 2 예) 더 높은 표면적과 열린 기공 형태와 모두 무정형 탄소 및 흑연 나노 판으로 구성된 가교 결합 물질을 형성하도록 온화한 산화 조건에서 탄소 원자의 제어 된 제거에 의해 활성화된다. (7)의 고유 장점 졸 - 겔 합성 가스는 응용의 필요에 따라 형태를 포함한 모노리스 및 박막의 다양한 제조 될 수 있다는 것이다. 카본 나노 튜브 (11) 및 / 또는 그라 펜 시트 (12)은 졸 - 겔 전구체 용액에 이러한 첨가제를 포함하여 가스로 통합 될 수있다. 이 첨가제는 일차 탄소 네트워크 구조의 일부가되는 복합 구조체를 생성한다. 또한 GA 프레임 워크는 탄화 / 활성화 후 어느 에어로젤의 표면 개질을 통해 또는 물질의 침착에 의해 기능화 될 수있다,예를 들어, 촉매는 골격 구조에 나노 입자. 13
그라 매크로 어셈블리 (GMA들)을함으로써 제조된다 직접 가교 현탁 그라 핀 옥사이드 (GO) 시트, 자신 고유의 화학적 기능성을 활용한다. (9) GO 시트로서 작용할 수 에폭시 드 및 히드 록 시드 잔기를 포함한 작용기의 다양한 포함 화학적 가교 결합 부위. GA 제제에서와 같이, 다음 조립 구조적지지를 제공하는 도전성 탄소 브릿지에 화학적 가교를 줄일 열분해, GMA들 supercritically는 다공성 네트워크를 보존 건조 조립. 때문에 그래 핀 시트 사이의 공유 결합 탄소 다리에, GMA들 물리적 가교 형성 그래 핀 어셈블리보다 높은 크기 순서입니다 전기 전도도와 기계적 강도를 가지고있다. 또한, GMA들에는 하나의 그라 펜 시트의 이론치에 근접 표면적을 갖는다. 포스트 합성 열 T상승 된 온도 (> 1050 ℃)에서 크게 심지어 높은 전도도 및 영률뿐만 아니라 더 좋은 열 산화성을 선도, GMA들의 결정 성을 향상시킬 수있다. 예컨대, 산화 환원 활성 유기 분자와 GMA들 14 사후 합성 화학 치료에 reatment 안트라 퀴논은 수퍼 애플리케이션에서 전하 저장 용량을 향상시킬 수있다. (15)
가스 및 GMA들의 가변 물성이 부분에서, 이러한 시약, 촉매 농도, 경화 시간, 온도, 건조 조건, 및 탄화 / 활성화 처리와 심하게 변동 합성 조건의 결과. 16 상세한 비디오 프로토콜 모호성을 해결하는 것을 목표로, 아르 게시 된 방법에, 그리고 재료와 조건을 재현하려고 시도하는 연구자를 안내합니다.
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Protocol
1. 레조 르시 놀 - 포름 알데히드 (RF) 유도 된 그래 핀 에어로젤
- 나 2 CO 3 탄소 에어로젤 촉매 (11 % 고형분, CRF)
- 40 mL의 섬광 바이알에, 레조 르시 놀 (0.625 g, 5.68 밀리몰)을 탈 이온수 (7.1 ml)에 추가하고 1 분 동안 와동에 혼합한다. 물 또한 이전에 박격포와 유 봉을 사용하여 분말에 큰 레조 르시 놀 조각 크러시. 그들이 완전히 다음 단계까지 용해되지 않을 수 있습니다.
- 1 분 동안 슬러리 레조 르시 놀과 와류에 37 % 포름 알데히드 수용액 (0.900 g, 11.4 밀리몰)을 추가한다.
- 1 분 동안 반응 혼합물과 와류에 탄산나트륨 (0.003 g, 0.028 밀리몰)을 추가한다.
- 단단한 공기를 밀봉 할 수 유리 금형에 반응 혼합물을 전송 (예를 들면, 실리콘 개스킷에 의해 분리되어 유리 병 또는 유리 슬라이드) 생성 된 고체 부분의 모양을 정의한다.
- 80 ℃의 오븐에 봉인 된 금형을 놓고 72 시간 동안 치료.
- 경화 후, 졸 삭제물 유리 몰드와 세척에서 ID 모노리스 잔류 미 반응 출발 물질 및 촉매를 제거한다. 일반적으로 우리는 신선한 탈 H 2 O로 3 × 12 시간 세척을 수행 이 물질은 현재 건조 준비가 된 것입니다.
- 아세트산 탄소 에어로젤 (AARF) (17) 촉매
- 40 mL의 섬광 바이알에, 레조 르시 놀을 탈 이온수 (15 ml)에 추가 (12.3 g, 0.112 mol) 및 1 분 동안 와동에 혼합한다. 물 또한 이전에 박격포와 유 봉을 사용하여 분말에 큰 레조 르시 놀 조각 크러시. 그들이 완전히 다음 단계까지 용해되지 않을 수 있습니다.
- 1 분 동안 슬러리 레조 르시 놀과 와류에 37 % 포름 알데히드 용액 (17.9 g, 0.224 몰)을 추가한다.
- 1 분 동안 반응 혼합물과 와류에 빙초산 (0.44 g, 0.007 몰)을 추가한다.
- 공기 기밀 밀봉 할 수 유리 금형에 반응 혼합물을 전송 (예를 들어, 바이알 또는 실리콘 개스킷에 의해 분리되어 유리 슬라이드) resu의 형상을 정의하는,고체 부분을 lting.
- 80 ℃의 오븐에 봉인 된 금형을 놓고 72 시간 동안 치료.
- 경화 후, 유리 몰드로부터 고형물을 제거 모노리스 잔류 미 반응 출발 물질 및 촉매를 제거하기 위해 물로 세척한다. 일반적으로 우리는 신선한 탈 H 2 O로 3 × 12 시간 세척을 수행 이 물질은 현재 건조 준비가 된 것입니다.
- RF 전구체 용액 탄소 첨가물 (CNT, GO)
- 카본 나노 튜브 / RF 복합 11
- 탈 이온수 중 1 중량 %의 단층 카본 나노 튜브를 중단하고 철저 초음파 욕 (소닉 파워 90 W, 40 kHz의 주파수)을 이용하여 분산.
- CNT 분산액에 레조 르시 놀 1.5 g (1.235 g, 11.2 밀리몰), 포름 알데히드 (1.791 g, 22.1 mmol) 및 탄산나트륨 촉매 (5.95 ㎎, 0.056 밀리몰)을 추가한다.
- 공기 기밀 밀봉 할 수 유리 금형에 반응 혼합물을 전송 (예컨대, 실리콘 개스킷 의해 분리 바이알 또는 유리 슬라이드) defin 어느얻어진 고체 부분의 형상을 전자.
- 80 ℃의 오븐에 봉인 된 금형을 놓고 72 시간 동안 치료.
- 경화 후, 유리 몰드로부터 고형물을 제거 모노리스 잔류 미 반응 출발 물질 및 촉매를 제거하기 위해 물로 세척한다. 일반적으로 신선한 탈 H 2 O로 3 × 12 시간 세척을 수행 이 물질은 현재 건조 준비가 된 것입니다.
- 복합 그래 핀 산화물 / RF (12)
- 탈 이온수에 1 중량 %의 그래 핀 산화물 (GO, 300 ~ 800 nm의 직경)를 일시 중단하고 철저하게 초음파 목욕 (음향 전력 90 W, 주파수 40 kHz에서)를 사용하여 분산.
- GO 분산액에 레조 르시 놀 1.5 g (1.235 g, 11.2 밀리몰), 포름 알데히드 (1.791 g, 22.1 밀리몰, 37 % 용액)과 탄산나트륨 촉매 (5.95 ㎎, 0.056 밀리몰)을 추가한다.
- 공기 기밀 밀봉 할 수 유리 금형에 반응 혼합물을 전송 (예를 들어, 바이알 또는 실리콘 개스킷에 의해 분리되어 유리 슬라이드)의 형상을 정의고체 부분을 결과.
- 80 ℃의 오븐에 봉인 된 금형을 놓고 72 시간 동안 치료.
- 경화 후, 유리 몰드로부터 고형물을 제거 모노리스 잔류 미 반응 출발 물질 및 촉매를 제거하기 위해 물로 세척한다. 일반적으로 신선한 탈 H 2 O로 3 × 12 시간 세척을 수행 이 물질은 현재 건조 준비가 된 것입니다.
- 카본 나노 튜브 / RF 복합 11
- 건조
- 초 임계 이산화탄소
- 아세톤으로 H 2 O 용매를 교환하여 초 임계 이산화탄소와 건조 세척 샘플을 준비합니다. 수조에서 샘플을 제거하고 깨끗한 아세톤을 함유하는 욕조에 넣습니다. 12 시간 간격으로 신선한 아세톤으로 두 번 이상 교체합니다.
- 로드, 초 임계 건조 장치로 샘플을 아세톤 교환 아세톤으로하고 12 ~ 15 ℃에서 냉각수를 순환 가득합니다.
- 더 아세톤 남을 때까지 초 임계 건조 및 액체 이산화탄소와 교환 인감 (4-24 시간 따라 오N 개의 샘플 크기, 밀도, 기공 모폴로지 등).
- 이산화탄소 공급을 차단하고 1,200-1,600 PSI (80-110 바) 사이에 초 임계 건조기에 압력을 유지하면서, 55 ° C에 냉각수를 순환의 온도를 상승. 1 시간 동안 55 ° C에서 잡으십시오.
- 55 ° C에서 순환하는 냉매의 온도를 유지하면서 천천히 CO 2 (2-12 시간)를 배출. 샘플을 제거합니다.
- 주위 건조 (크 세로 겔)
- 아세톤으로 H 2 O 용매를 교환하여 주위 조건에서 건조 세척 샘플을 준비합니다. 수조에서 샘플을 제거하고 깨끗한 아세톤을 함유하는 욕조에 넣습니다. 12 시간 간격으로 신선한 아세톤으로 두 번 이상 교체합니다.
- 깨끗한 표면 (예를 들어, 테프론 블록)에 아세톤 교환 샘플을 놓습니다. 균열 및 요철 축소 방지하기 위해 용매 증발 속도를 느리게하기 위해 난방을 충분히 제공하기에 충분한 양의 반전 비커에 샘플을 커버매쓰 웍스.
- (24 ~ 72 시간)에 대한 증발 용매 허용합니다.
- 초 임계 이산화탄소
- 탄화
- N 2 분위기에서 1050 ℃에서 건조 된 폼의 탄화를 수행합니다. 5 ℃ / 분의 속도로 실온에서 램프 및 3 시간 동안 1050 ℃에서 유지. 얇은 샘플 컬링 방지하기 위해 상단에 무게 흑연 종이 (또는 다른 온도 안정, 비 반응성 물질)의 두 시트 사이에 배치해야 할 수도 있습니다 "감자 치핑을."
- 활성화
- AARF 탄소 거품 부분을 활성화 (2cm × 3cm × 4mm, 1.2 g)을 5 시간 동안 950 ℃에서 CO 2 (10 SCCM)을 흐르는에서의 3D nanographene (3D-NG)를 생성 할 수 있습니다. (7)
2. 그래 핀 산화물 파생 된 그래 핀 매크로 어셈블리
- NH 4 OH 어셈블리를 GO 촉매
- 40 mL의 섬광 바이알에 400 mg의 단층 그래 핀 OXID 탈 이온수 (20 ㎖)을 추가E (GO, 300 ~ 800 nm의 직경). 철저 초음파 목욕 (음향 전력 90 W, 주파수 40 kHz에서) O / N을 사용하여 분산.
- 농축 된 NH 4 OH 용액 (G의 GO 서스펜션 당 0.211 ml)에 추가합니다.
- 기밀하게 밀봉 할 수 유리 주형에 전송 (예를 들어, 생성 된 고체 부분의 형상을 정의 실리콘 개스킷에 의해 분리되어 슬라이드 또는 유리 바이알).
- 80 ℃의 오븐에 봉인 된 금형을 놓고 72 시간 동안 치료.
- 경화 후, 유리 몰드로부터 고형물을 제거 모노리스 잔류 미 반응 출발 물질 및 촉매를 제거하기 위해 물로 세척한다. 일반적으로 신선한 탈 H 2 O로 3 × 12 시간 세척을 수행 이 물질은 현재 건조 준비가 된 것입니다.
- 건조
- 초 임계 이산화탄소
- 아세톤으로 H 2 O 용매를 교환하여 초 임계 이산화탄소와 건조 세척 샘플을 준비합니다. 수조에서 샘플을 제거하고 목욕 공동으로 배치깨끗한 아세톤을 ntaining. 12 시간 간격으로 신선한 아세톤으로 두 번 이상 교체합니다.
- 로드, 초 임계 건조 장치로 샘플을 아세톤 교환 아세톤으로하고 12 ~ 15 ℃에서 냉각수를 순환 가득합니다.
- (4-24 시간은 표본의 크기, 밀도, 기공 형태 등)에 따라 더 아세톤 남을 때까지 액체 이산화탄소와 초 임계 드라이어 및 교환을 밀봉합니다. 완전한 교환은 초 임계 건조의 배기 밸브에 아세톤 물감의 정지로 표시된다.
- 이산화탄소 공급을 차단하고 1,200-1,600 PSI (80-110 바) 사이에 초 임계 건조기에 압력을 유지하면서, 55 ° C에 냉각수를 순환의 온도를 상승. 1 시간 동안 55 ° C에서 잡으십시오.
- 55 ° C에서 순환하는 냉매의 온도를 유지하면서 천천히 CO 2 (2-12 시간)를 배출. 샘플을 제거합니다.
- 주위 건조 (크 세로 겔)
얇은 샘플 사이에 위치해야 할 수도 있습니다상단에 무게 테플론 (또는 다른 비 스틱 소재)의 두 시트는 컬링과 방지하기 위해 "감자 치핑을."- 아세톤으로 H 2 O 용매를 교환하여 주위 조건에서 건조 세척 샘플을 준비합니다. 수조에서 샘플을 제거하고 깨끗한 아세톤을 함유하는 욕조에 넣습니다. 12 시간 간격으로 신선한 아세톤으로 두 번 이상 교체합니다.
- 깨끗한 표면 (예를 들어, 테프론 블록)에 아세톤 교환 샘플을 놓습니다. 균열 및 불균일 한 수축을 방지하기 위해 용매 증발 속도를 느리게하기 위해, 상부 공간을 충분히 제공하기에 충분한 양의 반전 비커에 샘플을 커버한다.
- (24 ~ 72 시간)에 대한 증발 용매 허용합니다.
- 초 임계 이산화탄소
- 탄화
- N 2 분위기에서 1050 ℃에서 건조 된 폼의 탄화를 수행합니다. 5 ℃ / 분의 속도로 실온에서 램프 및 3 시간 동안 1050 ℃에서 유지. 얇은 샘플 B를 배치해야 할 수도 있습니다상단에 무게 흑연 종이 (또는 다른 온도 안정, 비 반응성 물질)의 etween 두 시트는 컬링과 방지하기 위해 "감자 치핑을."
- 결정 성이 높은 GMA에 대한 열 어닐링. 그는 분위기에서 2500 ° C까지의 온도에서 탄화 된 폼의 추가 열처리를 수행합니다. 100 ℃ / 분의 속도로 실온에서 램프 및 1 시간 동안 상승 된 온도에서 유지.
- 후 탄화 작용
- 비공유 안트라 기능화 (AQ-GMA)
- 건조의 EtOH에 안트라 퀴논 (AQ)의 3 mM의 솔루션을 준비합니다. 75 ° C에서 밀봉 된 유리 병에 열이 완전히 용해을 보장합니다.
- GMA 샘플에 뜨거운 AQ 솔루션을 추가 (2 ~ ㎖ / 샘플 mg)을 얻었다. 75 ℃에서 2 시간 동안 밀봉 된 바이알에 담근다.
- 유리 병에서 초과 AQ 솔루션을 제거하고 시료를 75 ° CO에서 건조 할 수 있도록 / N은 (유리 병이 떨어져 모자).
- 비공유 안트라 기능화 (AQ-GMA)
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Representative Results
제조 동안에 물질 조성물 및 형태의 발전은 X 선 회절, 라만 및 NMR 분광법, 전자 현미경, 및 다공도를 포함한 다양한 방식으로 추적 될 수있다. 예를 들면, 합성 가스의 열분해 및 활성화를 CO 2에서, 변환은 X 선 회절 (XRD) (도 1E)에 의해 수행 하였다. 활성화 (블루 트레이스) 후의 XRD 패턴 겹침 관련 (002) 회절 피크의 부재는 단층 그래 핀으로 이루어진 하나의 흑연 나노 판을 포함하는 구조의 전환을 나타낸다. 주사 전자 현미경 (SEM)과 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM)의 에지에 (도 1C 및 D) 본 개개의 그라 펜 시트로 식별 될 수있는 짧은 선형 기능을 밝혀. GA에 대한 라만 특징은 화학적 기상 증착에 의해 성장 된 그라 상업용 샘플에 대해 관찰 된 것과 유사하다 (그림 1 층). 그 중요한 에폭시 및 히드 록실 작용기 (50, 75 ppm의 사이의 피크)뿐만 아니라, 카르보닐기 (168 PPM 밝혀 고체 핵 자기 공명 (NMR)은 GMA로 GO의 변환을 수행하는 데 사용 하였다 (도 2), (9) )의 13 C NMR 스펙트럼에서 거의 경화 후에 제거되고, 지방족 탄소 피크 (26 PPM)는 에폭시 드 및 히드 록실 그룹이 가교기구에 관여하는 것을 시사하는 나타난다. 및 SP3 탄소 가교 열적으로 변환되었음을 시사 -CH2-O- 잔기 - 열분해 / 탄화 후에 만 SP 2 탄소 피크 남아 및 1H NMR 스펙트럼 (도 2B)도의-CH 2 제거를 도시 도전 SP 2 탄소 접합. GMA의 미세 구조는 그림 3 (SEM 분석 및 기타 그라 핀 어셈블리에보고 된 것과 유사하게 나타납니다했다 도 4a에 도시 된 질소 압 입법에 흡착 / 탈착 등온선은 메조 포러스 재료를 나타내는 유형 IV이다. 안트라 퀴논와 GMA의 사후 합성 수정이도 5B와 C에 제시 대표 등온선으로, 열 중량 분석 (TGA)에 의해 특징했다. 질량 손실 곡선의 유도체 인해 탄소 기판 AQ 분자의 흡착 AQ-GMA 벌크 AQ 대한 상이한 온도에서 피크를 나타낸다. 전기 화학적 특성은 GMA 전극 위에 AQ 흡착이 가역적 안정 패러데이 전하 저장 (그림 6A)를 생산 보여줍니다 순환 전압 전류 법 (CV)를 포함.
도 1 처리와 3D-NG (GA)의 구조. 중합체 기재의 (A) 도식하향식 접근 방식. 센티미터 크기의 3D-NG 샘플의 기계적 견고성 (B) 그림. (C) 마이크로 미터 크기의 기공과 인대로 구성 열기 거대 네트워크 아키텍처. (D) 곡선과 얽혀 그래 핀 시트로 구성 인대의 내부 구조. 선택된 이중층 영역은 타원으로 표시되어, 이러한 이중층 영역에 걸쳐 전형적인 강도 프로파일은 왼쪽에 표시된다. (E) X 선 단층 그래 핀에 의해 지배되는 것과 초기 다층 그라 성분의 변화를 확인하는 회절 데이터. 3D-NG 및 다중 층 그래 핀의 D / G 밴드 영역에서의 라만 스펙트럼 (F) 비교. 이 수치는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 7. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
얇은 페이지 = "항상"> 
GMA 어셈블리 및 열을 처리하는 동안 그림 2. NMR 특성. (A) (13) C NMR 스펙트럼에 대한 GO 분말, 초기 겔화 후 이동하여 매크로 어셈블리의 3 차원 그래 핀. (B) 열처리 전과 후에 GMA 1 H NMR 스펙트럼. 이 수치는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 9. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 매크로 어셈블리의 3D 그래 핀의 파 단면의 FE-SEM 이미지. (A) 낮은 배율. (B) 높은 배율. 이 수치는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 9.S : //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
GMA들도 4의 기공 모폴로지. (A) 질소 흡착 / 탈착 등온선. (B)의 기공 크기 분포. 이 수치는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 9. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 합성과 AQ-GMA들의 특성. (A) 합성 절차와 GMA 전극의 비공유 AQ 기능화의 개략도. (B (C) 벌크 AQ 대한 TGA 곡선을 로딩 250mm 두께 AQ-GMA 디스크 용) TGA 곡선 (AR 10 ㎖ 분 -1 흐름, 10 ° C 분 -1 온도 ) 램프. 파생 상품의 대량 손실 곡선 (점선) 대량 AQ 대 AQ-GMA에 대해 서로 다른 온도에서 쇼 봉우리. 60 ° C의 높은 온도는 탄소 기판 AQ 분자의 흡착을 나타낸다. 이 수치는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 15. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
AQ-GMA들 그림 6. 전기 특성. (A) 준비로 순환 전압 전류 250mm 두께의 GMA 디스크 (2 MV 초 -1, 1 M 염산), (고체 리NE), 12.4 중량 %와 AQ)는 (점선로드. 다른 잠재적 인 스위프 속도에서 동일한 12.4 중량 % AQ-GMA 샘플 (B)의 CV. 삽입 된 플롯은 저장 용량을 충전하는 AQ 비중이 일정하게 유지되는 것을 설명 솔루션 저항이 AQ 완전히인가 전압 창 내에서 충전 할 수 없습니다 대형 overpotentials 원인> 60 MV 초 -1까지. (용량 값은 AQ과 관련된 방전 피크를 통합하고 GMA의 기본 용량을 감산하여 산출 하였다.)이 도면은 참조 번호에서 수정되었다. 15. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
그것은 여기에 설명 된 절차가 대표하는 것이 중요합니다. 대부분의 조정은 특정 응용 프로그램에 대한 조정 재료에 가능합니다. 예를 들면, 레조 르시 놀 / 포름 알데히드 (RF)의 비율을 일정하게 유지하면서, 최종 물질 농도에 영향을 미칠 수 있으며, 출발 물질의 농도를 변화. RF 절차에 높은 부하가 작은 일차 입자와 반대 리드로서 촉매 로딩은, 기공의 형태를 바꿀 수있다. 활성화 시간도 역할을 할 수있다; 짧은 활성화 시간, 새로운 다공성 동안 미세 기공이 미세 공 중세 경계를 교차 크기로 확대되어 더 긴 활성 시간의 미세 형태로 생성된다 (15) 또한 고려 시작 탄소 발포체의 중량을 취해야 활성화 시간.; 상기 활성화 공정에서 전형적인 수율은 출발 탄소 발포체의 중량을 기준으로, 25 % -30 %를에게시켜 대략 하였다.
탄화 온도도 재료 튜닝을위한 기회를 제공합니다. 전기 전도도 증가극적으로 위 800 ° C RF 기반의 재료에요. 1500 ℃ 이상의 온도에서 탄화, GMA들 표면적을 잃고 그라 펜 시트에 결함이 적고, 더 그래파이트된다.
상기 물질의 합성에 융통성과 대조적으로, 우리는 더 이상 안트라 퀴논, 증가 된 농도를 갖는 GMA 물질을 기능화 및 때가 높은 AQ 로딩을 초래하지 않은 것을 발견 소크. 이것은 GMA 기판과 제 lacking 안정화 반 데르 발스 상호 작용 이후 층으로, 대략 단분자층 AQ 커버리지에 기인 할 수있다.
합성 프로토콜의 미래 응용 프로그램은 배터리의 전극을 거대 다공성을 정의하고 예를 들어, 대량 전송을 최적화 흐름 재료 제조에 희생 템플릿을 통합 여기에 포함 설명. 18, 19 일이 RF를 공식화하고 선진 제조업과의 호환성을 위해 전구체 솔루션을 갈 수도 진행되고있다 (3D이러한 직접 잉크 쓰기 및 프로젝션 microstereo 리소그래피로 인쇄) 기술. (20) 마지막으로, 우리는 3 차원 그래 핀의 발판을 기반으로 새로운 복합 재료 개발을 계속하고있다. (21)
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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 |
References
- Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- Geim, A. K., Novoselov, K. S.
- Li, D., Kaner, R. B.
- Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: a review of graphene. Chem. Rev. 110 (1), 132-145 (2010).
- 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).
- Pekala, R. W. Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde. J. Mater. Sci. 24 (9), 3221-3227 (1989).
- Biener, J., Dasgupta, S., et al. Macroscopic 3D nanographene with dynamically tunable bulk properties. Adv. Mater. 24 (37), 5083-5087 (2012).
- 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).
- Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., et al. Mechanically robust 3D graphene macroassembly with high surface area. Chem Commun. 48 (67), 8428-8430 (2012).
- Biener, J., Stadermann, M., et al. Advanced carbon aerogels for energy applications. Energ. Environ. Sci. 4 (3), 656-667 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Worsley, M. A., Pham, T. T., et al. Synthesis and Characterization of Highly Crystalline Graphene Aerogels. ACS Nano. 8 (10), 11013-11022 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Baumann, T. F., Satcher, J. H. Template-directed synthesis of periodic macroporous organic and carbon aerogels. J. Non-Cryst. Solids. 350, 120-125 (2004).
- Braff, W. A., Bazant, M. Z., Buie, C. R. Membrane-less hydrogen bromine flow battery. Nat. Comms. 4, 1-6 (2013).
- 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).
- 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).
