Abstract
Inspanningen om grafeen assembleren in driedimensionale monolithische structuren zijn belemmerd door de hoge kosten en slechte verwerkbaarheid van grafeen. Bovendien, de meeste gerapporteerde grafeen assemblages samen door middel van fysieke interacties (bijvoorbeeld van der Waals krachten) in plaats van chemische bindingen, die hun mechanische sterkte en geleidbaarheid beperkt gehouden. Deze video methode gegevens recent ontwikkelde strategieën om massa-produceerbare, grafeen gebaseerde bulk materialen afgeleid van ofwel polymeerschuimen of enkele laag grafeen oxide te fabriceren. Deze materialen bestaan voornamelijk uit individuele grafeen platen aangesloten via covalent gebonden koolstof linkers. Zij houden de gunstige eigenschappen van grafeen zoals hoog oppervlak en hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, gecombineerd met instelbare poriën morfologie en uitzonderlijke mechanische sterkte en elasticiteit. Deze flexibele synthetische werkwijze kan worden uitgebreid tot de fabricage van polymeer / koolstofnanobuisjes (CNT) eend polymeer / grafeen oxide (GO) composietmaterialen. Bovendien wordt extra post-synthetische functionalisering met antrachinon beschreven, die een dramatische toename ladingsopslagtransistors prestaties supercondensator mogelijk is.
Introduction
Omdat de isolatie van grafeen in 2004, heeft 1 interesse in het benutten van zijn unieke eigenschappen hebben geleid tot intensieve inspanningen gericht op het samenstellen van grafeen in drie-dimensionale, monolithische structuren die de eigenschappen van individuele grafeen platen behouden. 2-5 Deze inspanningen werden gehinderd door de Dat grafeen zelf kostbaar en tijdrovend om te produceren en klontert in oplossing, waarbij de schaalbaarheid van materialen op basis van grafeen bouwstenen beperkt. Bovendien worden grafeen samenstellingen typisch uit fysische verknoping interacties (bijvoorbeeld van der Walls krachten) tussen de afzonderlijke grafeen vellen, die veel minder geleidend en mechanisch robuust dan chemische binding verknopingen. Lawrence Livermore National Laboratory is betrokken geweest bij de ontwikkeling van nieuwe poreuze, low-density koolstof-materialen sinds de jaren 1980. 6 Verschillende strategieën zijn geïdentificeerd om de massa-produ fabricerencible grafeen gebaseerde monolithische bulk materiaal van zowel low-cost-polymeer afgeleid koolstof schuimen, die grafeen aerogels worden genoemd (Gas), 7 en door directe verknoping van grafeen oxide (GO) bladen, die grafeen macro- worden genoemd assemblages (GMAs). 8,9 Deze ultrahoge oppervlakte bulk materialen hebben een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, uitzonderlijke mechanische sterkte en elasticiteit en afstembare porie morfologie. GAs en GMAs hebben nut in talrijke toepassingen waaronder elektrodematerialen in supercondensatoren en accu, geavanceerde katalysatordragers, adsorbentia, isolatie, sensoren en ontzilting. 10
De synthese van grafeen aerogels begint met sol-gel-polymerisatie van een waterige oplossing van resorcinol en formaldehyde tot zeer verknoopte organische gels genereren. Deze gels worden gewassen met water en aceton en daarna gedroogd met behulp superkritisch CO2 en gepyrolyseerd in een iNert sfeer koolstof aerogels geven met een relatief lage oppervlakte en poriënvolume. Koolstof aërogels worden geactiveerd door gecontroleerde verwijdering koolstofatomen onder milde oxiderende voorwaarde (bijvoorbeeld CO 2) een verknoopt materiaal bestaande uit zowel amorf koolstof en grafiet nanoplatelets, met hogere oppervlakte open poriën morfologievorm. 7 Een uniek voordeel van de sol-gel-synthese dat gas kan worden vervaardigd in verschillende vormen, waaronder monolieten en dunne films, afhankelijk van de behoeften van de toepassing. Koolstof nanobuisjes 11 en / of grafeen platen 12 kan in gas worden geïntegreerd door het opnemen van deze additieven in het sol-gel voorloper oplossing. Dit genereert samengestelde structuren waarin het additief wordt een deel van de primaire koolstof netwerkstructuur. Bovendien kan de GA raamwerk worden gefunctionaliseerd na verkoling / activering hetzij door modificatie van het oppervlak of aerogel door afzetting van materialen,bijvoorbeeld katalysator nanodeeltjes, op het raamwerk structuur. 13
Grafeen macro-assemblies (GMAs) worden bereid door direct te verknopen geschorst grafeen oxide (GO) lakens, gebruik te maken van hun inherente chemische functionaliteit. 9 GO platen bevatten een verscheidenheid van functionele groepen, met inbegrip van epoxide en hydroxide delen, dat als kan dienen chemische verknoping sites. Zoals in de GA preparaat, samengesteld GMAs worden supercritically gedroogd om het poreuze netwerk behouden, dan gepyroliseerd de chemische verknopingen in geleidend carbon bruggen die structurele steun voor de apparatuur worden verminderd. Door de covalente koolstof bruggen tussen grafeen platen, GMAs hebben elektrische geleidingsvermogen en de mechanische stijfheid die ordes van grootte hoger dan grafeen samenstellingen gevormd met fysische verknoping. Bovendien GMAs hebben oppervlakken benadert de theoretische waarde van één grafeen vel. Post-synthetische thermische tehandeling bij verhoogde temperatuur (> 1050 ° C) kan een aanzienlijke verbetering van de kristalliniteit van GMAs, waardoor nog hogere geleidbaarheden en Young's modulus en een betere thermische oxidatieweerstand. 14 Post-synthetische chemische behandeling van GMAs met redox-actieve organische moleculen zoals antrachinon kan lading opslagcapaciteit vergroten in supercondensator toepassingen. 15
De afstembare materiaaleigenschappen van GAs en GMAs zijn deels Door zorgvuldig variërende synthetische aandoeningen zoals reagentia en katalysatorconcentraties, hardingstijd en temperatuur, droogomstandigheden en verkoling / activeringsprocessen. 16 Deze gedetailleerde videoprotocol beoogt dubbelzinnigheden lossen in de gepubliceerde methodes en onderzoekers poging om de materialen en de omstandigheden te reproduceren leiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Resorcinol-formaldehyde (RF) Afgeleid Grafeen Aerogels
- Na 2 CO 3 gekatalyseerde koolstof aërogel (11% vaste stof, CRF)
- In een 40 ml scintillatieflesje, voeg gedeïoniseerd water (7,1 ml) met resorcinol (0,625 g, 5,68 mmol) en meng op een vortex gedurende 1 minuut. Verpletteren grote resorcinol stukken tot poeder met behulp van een mortier en een stamper voorafgaand aan toevoeging van water. Merk op dat niet volledig kan oplossen tot de volgende stap.
- Voeg 37% formaldehyde-oplossing (0,900 g, 11,4 mmol) aan de suspensie resorcinol en vortex gedurende 1 minuut.
- Voeg natriumcarbonaat (0,003 g, 0,028 mmol) aan het reactiemengsel en vortex gedurende 1 minuut.
- Breng het reactiemengsel glasvormen welke luchtdicht afgesloten (bijvoorbeeld flacon of glasplaatjes die zijn gescheiden door een siliconen afdichting) die de vorm van de verkregen vaste deel definieert.
- Plaats de afgedichte mallen in een 80 ° C oven gedurende 72 uur harden.
- Na uitharding, verwijder de solid monolieten uit het glas schimmel en wassen met water om de resterende niet-omgezette uitgangsmaterialen en katalysator te verwijderen. Typisch voeren we 3 x 12 uur wassen met verse DI H 2 O. Het materiaal is nu klaar voor het drogen.
- Azijnzuur gekatalyseerd carbon aerogel (AARF) 17
- In een 40 ml scintillatieflesje, voeg gedeïoniseerd water (15 ml) met resorcinol (12,3 g, 0,112 mol) en meng op een vortex gedurende 1 minuut. Verpletteren grote resorcinol stukken tot poeder met behulp van een mortier en een stamper voorafgaand aan toevoeging van water. Merk op dat niet volledig kan oplossen tot de volgende stap.
- Voeg 37% formaldehyde-oplossing (17,9 g, 0,224 mol) aan de suspensie resorcinol en vortex gedurende 1 minuut.
- Voeg glaciaal azijnzuur (0,44 g, 0,007 mol) aan het reactiemengsel en vortex gedurende 1 minuut.
- Breng het reactiemengsel glasvormen welke luchtdicht afgesloten (bijvoorbeeld, flesje of glasplaatjes die zijn gescheiden door een siliconen afdichting), die de vorm van de resu definiërenlting vaste deel.
- Plaats de afgedichte mallen in een 80 ° C oven gedurende 72 uur harden.
- Na uitharding, verwijder de vaste monolieten uit het glas schimmel en wassen met water om de resterende niet-omgezette uitgangsmaterialen en katalysator te verwijderen. Typisch voeren we 3 x 12 uur wassen met verse DI H 2 O. Het materiaal is nu klaar voor het drogen.
- Carbon Additieven voor de RF-precursor-oplossing (CNT, GO)
- Koolstof nanobuis / RF composiet 11
- Opschorten 1 gew% enkelwandige koolstof nano-buizen in gedemineraliseerd water en grondig te verspreiden met behulp van een ultrasoon bad (sonische vermogen 90 W, frequentie van 40 kHz).
- Resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehyde (1,791 g, 22,1 mmol) en natriumcarbonaat katalysator (5,95 mg, 0,056 mmol) aan 1,5 g CNT dispersie.
- Breng het reactiemengsel glasvormen welke luchtdicht afgesloten (bijvoorbeeld, flesje of glasplaatjes die zijn gescheiden door een siliconen afdichting), die define de vorm van de verkregen vaste deel.
- Plaats de afgedichte mallen in een 80 ° C oven gedurende 72 uur harden.
- Na uitharding, verwijder de vaste monolieten uit het glas schimmel en wassen met water om de resterende niet-omgezette uitgangsmaterialen en katalysator te verwijderen. Typisch voeren 3 x 12 uur wassen met verse DI H 2 O. Het materiaal is nu klaar voor het drogen.
- Grafeen oxide / RF composiet 12
- Opschorten 1 gew% grafeen oxide (GO, 300-800 nm diameter) in gedemineraliseerd water en grondig te verspreiden met behulp van een ultrasoon bad (sonische vermogen 90 W, frequentie van 40 kHz).
- Resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehyde (1,791 g, 22,1 mmol, 37% oplossing) en natriumcarbonaat katalysator (5,95 mg, 0,056 mmol) toe te voegen aan 1,5 g van de GO dispersie.
- Breng het reactiemengsel glasvormen welke luchtdicht afgesloten (bijvoorbeeld, flesje of glasplaatjes die zijn gescheiden door een siliconen afdichting) die de vorm van het definiërenresulterende vaste deel.
- Plaats de afgedichte mallen in een 80 ° C oven gedurende 72 uur harden.
- Na uitharding, verwijder de vaste monolieten uit het glas schimmel en wassen met water om de resterende niet-omgezette uitgangsmaterialen en katalysator te verwijderen. Typisch voeren 3 x 12 uur wassen met verse DI H 2 O. Het materiaal is nu klaar voor het drogen.
- Koolstof nanobuis / RF composiet 11
- Drogen
- Superkritisch CO 2
- Bereid gewassen monsters voor drogen met superkritisch CO2 door uitwisseling van de H 2 O oplosmiddel met aceton. Verwijder het monster uit waterbad en plaats in een bad met schoon aceton. Vervang met verse aceton twee keer in 12 uur intervallen.
- Load aceton-uitgewisselde monsters in een superkritisch drooginrichting, gevuld met aceton en met circulerende koelvloeistof bij 12-15 ° C.
- Verzegelen superkritische droger en uitwisseling met vloeibare CO 2 totdat er geen aceton overblijfselen (4-24 uur, afhankelijk on steekproefomvang dichtheid poriën morfologie, enz.).
- Uitschakelen CO 2 toevoer en verhogen de temperatuur van het circulerende koelmiddel tot 55 ° C, terwijl het handhaven van de druk in de superkritische droger tussen 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Houden op 55 ° C gedurende 1 uur.
- Langzaam ontluchten CO 2 (2-12 uur) terwijl de temperatuur van het circulerende koelmiddel bij 55 ° C. Verwijderen monsters.
- Ambient drogen (xerogel)
- Bereid gewassen monsters te drogen onder omgevingsomstandigheden door het uitwisselen van de H 2 O oplosmiddel met aceton. Verwijder het monster uit waterbad en plaats in een bad met schoon aceton. Vervang met verse aceton twee keer in 12 uur intervallen.
- Plaats-aceton uitgewisseld monsters op een schone ondergrond (bv Teflon blok). Om de snelheid van oplosmiddelverdamping te voorkomen scheurvorming en ongelijkmatige krimp vertragen, wordt het monster met een omgekeerde beker voldoende volume om veel hea biedenDSpace.
- Sta oplosmiddel verdampen voor (24-72 uur).
- Superkritisch CO 2
- Carbonisatie
- Voer verkoling van de gedroogde schuimen bij 1050 ° C onder N2 atmosfeer. Oprit van RT met een snelheid van 5 ° C / min, en houdt bij 1050 ° C gedurende 3 uur. Merk op dat dunne monsters moeten worden geplaatst tussen twee vellen papier grafiet (of andere temperatuur stabiel, niet-reactief materiaal) met een gewicht boven tot krullen en voorkoming "potato chipping."
- Activering
- Activeren een AARF carbon schuimstuk (2 cm x 3 cm x 4 mm, 1,2 g) 3D nanographene (3D-NG) genereren onder stromend CO 2 (10 sccm) bij 950 ° C gedurende 5 uur. 7
2. Grafeen Oxide Afgeleid Grafeen Macro Assemblies
- NH4OH gekatalyseerd GO assemblage
- In een 40 ml scintillatieflesje, voeg gedeïoniseerd water (20 ml) om 400 mg enkele laag grafeen oxide (GO, 300-800 nm diameter). Grondig te verspreiden met behulp van een ultrasoon bad (sonische vermogen 90 W, frequentie 40 kHz) O / N.
- Voeg geconcentreerd NH4OH-oplossing (0,211 ml per g GO schorsing).
- Overdracht in glasvormen welke luchtdicht (bijv flesje of glasplaatjes die zijn gescheiden door een siliconen pakking die de vorm van de verkregen vaste deel definieert).
- Plaats de afgedichte mallen in een 80 ° C oven gedurende 72 uur harden.
- Na uitharding, verwijder de vaste monolieten uit het glas schimmel en wassen met water om de resterende niet-omgezette uitgangsmaterialen en katalysator te verwijderen. Typisch voeren 3 x 12 uur wassen met verse DI H 2 O. Het materiaal is nu klaar voor het drogen.
- Drogen
- Superkritisch CO 2
- Bereid gewassen monsters voor drogen met superkritisch CO2 door uitwisseling van de H 2 O oplosmiddel met aceton. Verwijder het monster uit waterbad en plaats in bad containing schoon aceton. Vervang met verse aceton twee keer in 12 uur intervallen.
- Load aceton-uitgewisselde monsters in een superkritisch drooginrichting, gevuld met aceton en met circulerende koelvloeistof bij 12-15 ° C.
- Verzegelen superkritische droger en uitwisseling met vloeibare CO 2 totdat er geen aceton overblijfselen (4-24 uur afhankelijk van de steekproefgrootte, dichtheid, porie morfologie, enz.). Volledige uitwisseling wordt aangeduid door het stilleggen van aceton druppels op de uitlaatklep van de superkritische droger.
- Uitschakelen CO 2 toevoer en verhogen de temperatuur van het circulerende koelmiddel tot 55 ° C, terwijl het handhaven van de druk in de superkritische droger tussen 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Houden op 55 ° C gedurende 1 uur.
- Langzaam ontluchten CO 2 (2-12 uur) terwijl de temperatuur van het circulerende koelmiddel bij 55 ° C. Verwijderen monsters.
- Ambient drogen (xerogel)
Merk op dat dunne monsters moeten worden geplaatst tussentwee vellen teflon (of andere non-stick materiaal) met het gewicht op de top te krullen en te voorkomen "potato chippen."- Bereid gewassen monsters te drogen onder omgevingsomstandigheden door het uitwisselen van de H 2 O oplosmiddel met aceton. Verwijder het monster uit waterbad en plaats in een bad met schoon aceton. Vervang met verse aceton twee keer in 12 uur intervallen.
- Plaats-aceton uitgewisseld monsters op een schone ondergrond (bv Teflon blok). Om de snelheid van oplosmiddelverdamping tot scheurvorming en ongelijkmatige krimp voorkomen vertragen, wordt het monster met een omgekeerde beker voldoende volume om voldoende vrije ruimte te verschaffen.
- Sta oplosmiddel verdampen voor (24-72 uur).
- Superkritisch CO 2
- Carbonisatie
- Voer verkoling van de gedroogde schuimen bij 1050 ° C onder N2 atmosfeer. Oprit van RT met een snelheid van 5 ° C / min, en houdt bij 1050 ° C gedurende 3 uur. Merk op dat dunne monsters moeten worden geplaatst between twee vellen grafiet papier (of een andere temperatuur stabiel, niet-reactief materiaal) met het gewicht op de top te krullen en te voorkomen "potato chippen."
- Thermisch gloeien voor hoogkristallijne GMA. Voer aanvullende thermisch gloeien van verkoold schuimen bij temperaturen tot 2500 ° C onder Hij atmosfeer. Ramp van RT met een snelheid van 100 ° C / min, ingedrukt bij verhoogde temperatuur gedurende 1 uur.
- Post-carbonisatie functionalisering
- Niet-covalente anthrachinon functionalisering (AQ-GMA)
- Bereid een oplossing van 3 mM antrachinon (AQ) in droog EtOH. Verhit in een afgesloten flesje bij 75 ° C om volledige oplossing te verzekeren.
- Voeg hete AQ oplossing voor GMA monster (~ 2 ml / mg van het monster). Weken in een afgesloten buisje 2 uur bij 75 ° C.
- Verwijder overtollige AQ oplossing van flacon en laat monster drogen bij 75 ° CO / N (flacon dop).
- Niet-covalente anthrachinon functionalisering (AQ-GMA)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De evolutie van samenstelling en morfologie tijdens de fabricage kunnen worden gevolgd op verschillende manieren, waaronder röntgendiffractie, Raman spectroscopie en NMR, elektronenmicroscopie, en porosimetrie. Bijvoorbeeld, in de synthese, pyrolyse en CO 2 activering van GAs werd de omzetting gevolgd door röntgendiffractie (XRD) (figuur 1E). De afwezigheid van de stacking-gerelateerde (002) diffractiepiek in het XRD patroon na activering (blauw trace) geeft de overgang van een structuur met grafiet nanoplatelets één bestaande uit single-layer grafeen. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) en hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM) onthulde korte, lineaire functies, die kunnen worden geïdentificeerd als afzonderlijke grafeen vellen bekeken edge-on (figuur 1C en D). De Raman functies voor GA vergelijkbaar met die waargenomen voor commerciële grafeen monsters gekweekt door chemische dampafzetting (Figuur 1F). Solid state kernspinresonantie (NMR) werd gebruikt voor de transformatie van GO in GMA volgen (figuur 2), 9 waarbij de aanzienlijke epoxide en hydroxylfunctionaliteit (pieken tussen 50 en 75 ppm), alsook carbonylgroepen (168 ppm openbaart ) in de 13 C NMR spectrum vrijwel geëlimineerd na uitharding, en een alifatisch koolstofatoom piek (26 ppm) weergegeven, wat suggereert dat epoxide en hydroxylgroepen zijn betrokken bij de verknoping mechanisme. Na pyrolyse / carbonisering, alleen de sp 2 koolstofatoom piek blijft en 1H NMR spectrum (Figuur 2B) toont ook de eliminatie van CH 2 - en -CH2-O- groepen suggereert dat de sp3 koolstof verknopingen thermisch omgezet om geleidende sp 2 koolstofatoom knooppunten. De GMA microstructuur werd geanalyseerd met SEM en lijkt vergelijkbaar met die in andere samenstellingen grafeen (figuur 3 figuur 4A Type IV, indicatief voor een mesoporeus materiaal. Voeg synthetische modificatie van GMA met antrachinon gekenmerkt door thermogravimetrische analyse (TGA), met representatieve isothermen weergegeven in figuren 5B en C. De derivaten van het massaverlies curven pieken bij verschillende temperaturen AQ-GMA en bulk AQ gevolg van de adsorptie van de AQ molecuul op het koolstofsubstraat. Elektrochemische karakterisering inbegrepen cyclische voltammetrie (CV), waaruit blijkt dat AQ adsorptie op het GMA elektrode reversibele en stabiele Faraday ladingsopslaginrichting (figuur 6A).
Figuur 1. Verwerking en architectuur van 3D-NG (GA). (A) Schematische voorstelling van het polymeer-gebaseerdetop-down benadering. (B) Illustratie van de mechanische robuustheid van een centimeter-sized 3D-NG monster. (C) Open macroporeuze netwerkarchitectuur bestaat uit micrometer-en kleinbedrijf poriën en ligamenten. (D) Interne structuur van ligamenten bestaande uit gebogen en verweven grafeen vel. Geselecteerde double-layer gebieden worden gekenmerkt door ovalen, en een typisch intensiteitsprofiel over zo'n double-layer gebied wordt links weergegeven. (E) röntgendiffractie gegevens bevestigen de transformatie van de oorspronkelijke multilayer grafeen component die wordt gedomineerd door single-layer grafeen. (F) Vergelijking van de Raman spectra in de D / G band gebied van 3D-NG en meervoudige laag grafeen. Dit cijfer is aangepast van Ref. 7. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
thin-page = "always"> 
Figuur 2. NMR karakterisering tijdens GMA assemblage en thermische verwerking. (A) 13 C NMR spectra voor poeder GO, GO na de eerste geleren en 3D grafeen macroassembly. (B) 1 H NMR spectra GMA voor en na thermische gloeien. Dit cijfer is aangepast van Ref. 9. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. FE-SEM foto van het breukoppervlak van de 3D grafeen macroassembly. (A) lage vergroting. (B) Hoge vergroting. Dit cijfer is aangepast van Ref. 9.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Pore morfologie van GMAs. (A) stikstof adsorptie / desorptie isotherm. (B) poriegrootteverdeling. Dit cijfer is aangepast van Ref. 9. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. Synthese en karakterisering van AQ-GMAs. (A) Synthetische procedure en schematische illustratie van niet-covalente AQ functionalisering van GMA elektroden. (B (C) TGA curve bulk AQ (Ar stroming 10 ml min -1, 10 ° C min -1 temperatuur ramp). Afgeleide massaverlies curves (stippellijnen) laten pieken bij verschillende temperaturen voor de AQ-GMA vs. bulk AQ. Een hogere temperatuur meer dan 60 ° C geeft de AQ adsorptie van moleculen op het koolstofsubstraat. Dit cijfer is aangepast van Ref. 15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. elektrochemische karakterisering van AQ-GMAs. (A) Cyclische voltamogram (2 mV sec -1, 1 M HCl) voor 250 mm dik GMA schijven, zoals opgesteld (vast line), en met 12,4 gew% AQ loading (stippellijn). (B) cv's van dezelfde 12,4 wt% AQ-GMA monster bij verschillende potentiële sweep tarieven. De inzet plot illustreert dat AQ bijdrage aan opslagcapaciteit op te laden blijft constant totdat> 60 mV sec -1, waarbij oplossing weerstand veroorzaakt zulke grote overpotentialen dat AQ niet volledig binnen de aangelegde spanning venster laden. (Capacity waarden werden afgeleid door het integreren van de lozing piek geassocieerd met AQ en aftrekken van de onderliggende capaciteit van GMA.) Dit cijfer is aangepast van Ref. 15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het is belangrijk op te merken dat de hier beschreven procedures zijn alleen representatief. Vele aanpassingen zijn mogelijk afstemmen materialen voor een bepaalde toepassing. Zo varieert het uitgangsmateriaal concentraties, terwijl resorcinol / formaldehyde (RF) verhouding constant, kan van invloed zijn op de uiteindelijke materiaaldichtheid hebben. Katalysatorlading kan porie morfologie veranderen, een hogere belasting van de RF procedure leidt tot kleinere primaire deeltjes en vice-versa. Activering tijd kan een rol spelen als goed; kortere activeringstijden, is nieuw porositeit gegenereerd in de vorm van de microporiën, terwijl bij langere activeringstijden microporiën worden uitgebreid tot afmetingen die de microporie-mesoporiën grens overschrijden 15 Bovendien is de activeringstijd moet rekening houden met het gewicht van het uitgangsmateriaal koolstofschuim.; typische opbrengst van het activeringsproces boven beschreven ca. 25% -30%, gebaseerd op het gewicht van het uitgangsmateriaal koolstofschuim.
Carbonisatie temperatuur biedt ook kansen voor materiaal tuning. Elektrische geleidbaarheids dramatisch boven 800 ° C voor RF gebaseerde materialen. Bij verkoling temperaturen boven 1500 ° C, GMAs verliezen oppervlakte en meer grafiet, met minder gebreken in de grafeen vellen.
In tegenstelling tot de flexibiliteit van het materiaal synthese hierboven beschreven, vonden we dat bij het functionaliseren van de GMA materialen antrachinon, verhoogde concentratie en langere uitzettijden niet tot hogere lading AQ. Dit kan worden toegeschreven aan ongeveer monolaag AQ dekking, met lagen na het eerste ontbrekende stabiliserende van der Waals interacties met het substraat GMA.
Toekomstige toepassingen van de synthetische protocol beschreven hier onder andere de integratie van opofferende templates in materiaal fabricage tot macroporositeit batterij elektroden definiëren en optimaliseren van massatransport in, bijvoorbeeld, stromen. 18,19 Er wordt ook gewerkt aan RF formuleren en GO voorloper oplossingen voor compatibiliteit met geavanceerde productie- (3Dafdrukken) technieken zoals direct inkt schrijven en projectie microstereo lithografie. 20 Ten slotte blijven we nieuwe samengestelde materialen te ontwikkelen op basis van 3D grafeen steigers. 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 |
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. The rise of graphene. Nat Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
- Li, D., Kaner, R. B. Materials science. Graphene-based materials. Science. 320 (5880), 1170-1171 (2008).
- 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).
