التوليف وFunctionalization من 3D مواد النانو الجرافين: الجرافين Aerogels والجرافين جمعيات الكلية

Abstract

تعرقلت جهود لتجميع الجرافين في هياكل متجانسة ثلاثية الأبعاد من التكلفة العالية والفقيرة للتجهيز من الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، فإن معظم التقارير وتعقد المجالس الجرافين معا من خلال التفاعلات الفيزيائية (على سبيل المثال، فان دير فال القوات) بدلا من الروابط الكيميائية، التي تحد من قوتها الميكانيكية والتوصيل. هذا الفيديو تفاصيل طريقة تم تطويرها مؤخرا استراتيجيات لافتعال، المواد السائبة القائم على الجرافين الكتلة producible المستمدة من أي الرغاوي البوليمر أو واحد أكسيد طبقة الجرافين. وتتكون هذه المواد أساسا من صحائف الجرافين الفردية على اتصال من خلال linkers الكربون مرتبطة تساهميا. أنها تحافظ على خصائص مواتية من الجرافين مثل مساحة عالية وعالية التوصيل الكهربائي والحراري، جنبا إلى جنب مع الانضباطي التشكل المسام وقوة ميكانيكية استثنائية ومرونة. هذه الطريقة الاصطناعية مرنة يمكن أن تمتد إلى تصنيع أنابيب البوليمر / الكربون (CNT) لد البوليمر / أكسيد الجرافين (GO) المواد المركبة. وعلاوة على ذلك، وصفت functionalization آخر الاصطناعية إضافي مع أنثراكوينون، والتي تمكن زيادة كبيرة في الأداء تخزين تهمة في supercapacitor تطبيقات.

Introduction

منذ عزل الجرافين في عام 2004، أدى ^{1 اهتمام} في تسخير الخصائص الفريدة لجهود مكثفة موجهة نحو تجميع الجرافين إلى هياكل متجانسة ثلاثية الأبعاد التي تحتفظ خصائص صحائف الجرافين الفردية. تعرقلت ^2-5 هذه الجهود حقيقة أن الجرافين نفسها مكلفة وتستغرق وقتا طويلا لإنتاج ويميل إلى تجميع في الحل، مما يحد من قابلية المواد التي تقوم على اللبنات الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، وعادة ما تتألف مجالس الجرافين من التفاعلات الجسدية عبر ربط (على سبيل المثال، القوات الجدران فان دير) بين صحائف الجرافين الفردية، التي هي أقل موصل قوي ميكانيكيا من السندات عبر الروابط الكيميائية بكثير و. وقد شاركت مختبر لورانس ليفرمور الوطني في تطوير الرواية التي يسهل اختراقها، ومواد الكربون المنخفض الكثافة منذ 1980s. وقد تم تحديد ⁶ عدة استراتيجيات لافتعال كتلة-الم Ùcible القائم على الجرافين المواد السائبة متجانسة من كلا منخفضة التكلفة المشتقة من البوليمر الرغاوي الكربون، والتي تسمى aerogels الجرافين (غاز)، ⁷ فضلا عن مباشرة عبر ربط أكسيد الجرافين (GO) ورقة، والتي تسمى الجرافين الاقتصاد الكلي التجمعات (غماس). ^8،9 هذه المواد السائبة مساحة عالية جدا لها التوصيلات الكهربائية والحرارية العالية، قوة ميكانيكية استثنائية ومرونة، والأشكال التضاريسية الانضباطي المسام. وقد وجدت الغاز وغماس فائدة في العديد من التطبيقات بما في ذلك المواد الكهربائي في المكثفات الفائقة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن، ويدعم حافزا المتقدمة، الماصة، والعزل الحراري، وأجهزة الاستشعار، وتحلية المياه. ¹⁰

توليف aerogels الجرافين يبدأ مع سول-جل البلمرة من محلول مائي من الريسورسنول والفورمالديهايد لتوليد المواد الهلامية العضوية عالية عبر ربط. تغسل هذه المواد الهلامية بالماء والأسيتون، ثم تجفف باستخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ₂ وpyrolyzed في أناجو nert لإعطاء aerogels الكربون مع مساحة منخفضة نسبيا، وحجم المسام. يتم تنشيط aerogels الكربون عن طريق إزالة رقابة من ذرات الكربون تحت ظروف المؤكسدة خفيفة (على سبيل المثال، CO ₂₎ لتشكيل المواد عبر ربط تتألف من كل من الكربون والجرافيت متبلور nanoplatelets، مع مساحة سطح أكبر والتشكل المسام المفتوحة. ⁷ وهناك ميزة فريدة من التوليف سول هلام هو أنه لا يمكن أن تكون ملفقة الغاز في مجموعة متنوعة من الأشكال، بما في ذلك كتل والأغشية الرقيقة، اعتمادا على احتياجات التطبيق. أنابيب الكربون النانوية ¹¹ و / أو صحائف الجرافين ¹² يمكن إدماج الغاز بما في ذلك تلك الإضافات في حل السلائف سول-جل. وهذا يولد هياكل المركب الذي يصبح المضافة جزءا من بنية الشبكة الكربون الأساسي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن functionalized إطار GA بعد تفحيم / التنشيط سواء عن طريق تعديل سطح ايروجيل أو من خلال ترسب المواد،على سبيل المثال حافزا النانوية، على هيكل الإطار. ¹³

يتم إعداد الجرافين-المجالس الكلي (غماس) من خلال مباشرة عبر ربط أكسيد علقت الجرافين (GO) ورقة، والاستفادة من وظائف الكيميائية الكامنة. ⁹ أوراق GO تحتوي على مجموعة متنوعة من المجموعات الوظيفية، بما في ذلك إيبوكسيد والأنصاف هيدروكسيد، التي يمكن أن تكون بمثابة عبر ربط المواقع الكيميائية. كما هو الحال في إعداد GA، وتجميعها غماس يتم تجفيفها supercritically للحفاظ على شبكة مسامية، ثم pyrolized للحد من الكيميائية وصلات العبور إلى الجسور الموصلة الكربون التي تقدم الدعم الهيكلي للجمعية. بسبب الجسور الكربون التساهمية بين صحائف الجرافين، غماس ديك التوصيلات الكهربائية والميكانيكية صلابة التي هي أوامر من حجم أعلى من المجالس الجرافين شكلت مع الجسدي عبر ربط. بالإضافة إلى ذلك، غماس دينا مساحات تقترب من القيمة النظرية ورقة الجرافين واحدة. ر الحراري بعد الاصطناعيةreatment في درجات حرارة مرتفعة (> 1050 ° C) يمكن أن تحسن بشكل كبير من التبلور من غماس، مما يؤدي التوصيلات إلى أعلى حتى والرجوعية الشباب وكذلك مقاومة التأكسد بشكل أفضل الحرارية. العلاج الكيميائي ^{14 آخر} الاصطناعية من غماس مع الأكسدة الفعالة الجزيئات العضوية مثل أنثراكوينون يمكن أن تعزز قدرة تخزين تهمة في supercapacitor تطبيقات ¹⁵

خصائص المواد الانضباطي الغاز وغماس هي، في جزء منه، نتيجة لاختلاف بعناية الظروف الاصطناعية مثل كاشف ومحفز تركيزات، والوقت علاج ودرجة الحرارة وظروف التجفيف، وعمليات تفحيم / التنشيط. ويهدف ¹⁶ هذا البروتوكول فيديو تفصيلي لحل الغموض في الأساليب المنشورة، وتوجيه الباحثين محاولة لإعادة إنتاج المواد والظروف.

Protocol

1. ريسورسينول الفورمالديهايد (RF) المشتقة الجرافين Aerogels

1. _نا 2 CO ₃ حفز ايروجيل الكربون (11٪ مواد صلبة، CRF)
   1. في 40 مل التلألؤ القارورة، إضافة الماء منزوع الأيونات (7.1 مل) لالريسورسنول (0.625 غرام، 5.68 ملمول) وتخلط في دوامة لمدة 1 دقيقة. سحق قطعة الريسورسنول كبيرة لمسحوق باستخدام هاون ومدقة قبل إضافة الماء. لاحظ أنه قد لا تذوب تماما حتى الخطوة التالية.
   2. إضافة 37٪ محلول الفورمالديهايد (0.900 غرام، 11،4 مليمول) إلى الطين الريسورسنول ودوامة لمدة 1 دقيقة.
   3. إضافة كربونات الصوديوم (0.003 غرام، 0.028 مليمول) إلى خليط التفاعل ودوامة لمدة 1 دقيقة.
   4. نقل خليط التفاعل لقوالب الزجاج التي يمكن أن تكون مختومة محكمة الغلق (على سبيل المثال، قارورة أو الزجاج الشرائح التي تكون مفصولة طوقا سيليكون) التي تحدد شكل الجزء الصلب الناتج.
   5. وضع قوالب مختومة إلى الفرن 80 ° C وعلاج لمدة 72 ساعة.
   6. بعد المعالجة، وإزالة سولكتل معرف من العفن الزجاج ويغسل بالماء لإزالة بقايا المواد الأولية غير المتفاعلة ومحفز. عادة نقوم 3 × 12 يغسل ساعة مع DI جديدة H ₂ O. والمواد هي الآن جاهزة للتجفيف.
2. حمض الخليك حفز ايروجيل الكربون (AARF) ¹⁷
   1. في 40 مل التلألؤ القارورة، إضافة الماء منزوع الأيونات (15 مل) لالريسورسنول (12.3 غرام، 0.112 مول) وتخلط في دوامة لمدة 1 دقيقة. سحق قطعة الريسورسنول كبيرة لمسحوق باستخدام هاون ومدقة قبل إضافة الماء. لاحظ أنه قد لا تذوب تماما حتى الخطوة التالية.
   2. إضافة 37٪ محلول الفورمالديهايد (17.9 غرام، 0.224 مول) إلى الطين الريسورسنول ودوامة لمدة 1 دقيقة.
   3. إضافة حمض الخليك الجليدي (0.44 غرام، 0.007 مول) إلى خليط التفاعل ودوامة لمدة 1 دقيقة.
   4. نقل خليط التفاعل لقوالب الزجاج التي يمكن أن تكون مختومة ضيق الهواء (على سبيل المثال، قارورة أو الشرائح الزجاجية التي تكون مفصولة طوقا السيليكون)، التي تحدد شكل دورة الفتشوبlting الجزء الصلب.
   5. وضع قوالب مختومة إلى الفرن 80 ° C وعلاج لمدة 72 ساعة.
   6. بعد المعالجة، وإزالة كتل صلبة من العفن الزجاج ويغسل بالماء لإزالة بقايا المواد الأولية غير المتفاعلة ومحفز. عادة نقوم 3 × 12 يغسل ساعة مع DI جديدة H ₂ O. والمواد هي الآن جاهزة للتجفيف.
3. إضافات الكربون إلى حل RF السلائف (CNT، GO)
   1. أنابيب الكربون / RF مركب ¹¹
      1. تعليق 1٪ بالوزن احد الجدران الكربون نانو أنابيب في الماء منزوع الأيونات وتفريق بدقة باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية (الصوتية السلطة 90 W، تردد 40 كيلوهرتز).
      2. إضافة الريسورسنول (1.235 غرام، 11،2 مليمول)، والفورمالديهايد (1.791 غرام، 22،1 مليمول)، ومحفز كربونات الصوديوم (5.95 ملغ، 0.056 ملمول) إلى 1.5 غرام من تشتت CNT.
      3. نقل خليط التفاعل لقوالب الزجاج التي يمكن أن تكون مختومة ضيق الهواء (على سبيل المثال، قارورة أو الزجاج الشرائح التي تكون مفصولة طوقا السيليكون)، التي definالبريد شكل الجزء الصلب الناتج.
      4. وضع قوالب مختومة إلى الفرن 80 ° C وعلاج لمدة 72 ساعة.
      5. بعد المعالجة، وإزالة كتل صلبة من العفن الزجاج ويغسل بالماء لإزالة بقايا المواد الأولية غير المتفاعلة ومحفز. عادة تنفيذ 3 × 12 يغسل ساعة مع DI جديدة H ₂ O. والمواد هي الآن جاهزة للتجفيف.
   2. أكسيد الجرافين / RF مركب ¹²
      1. تعليق 1٪ بالوزن الجرافين أكسيد (GO، 300-800 نانومتر القطر) في الماء منزوع الأيونات وتفريق بدقة باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية (الصوتية السلطة 90 W، تردد 40 كيلوهرتز).
      2. إضافة الريسورسنول (1.235 غرام، 11،2 مليمول)، والفورمالديهايد (1.791 غرام، 22،1 مليمول، حل 37٪) ومحفز كربونات الصوديوم (5.95 ملغ، 0.056 ملمول) إلى 1.5 غرام من تشتت GO.
      3. نقل خليط التفاعل لقوالب الزجاج التي يمكن أن تكون مختومة ضيق الهواء (على سبيل المثال، قارورة أو الشرائح الزجاجية التي تكون مفصولة طوقا سيليكون) التي تحدد شكلمما أدى الجزء الصلب.
      4. وضع قوالب مختومة إلى الفرن 80 ° C وعلاج لمدة 72 ساعة.
      5. بعد المعالجة، وإزالة كتل صلبة من العفن الزجاج ويغسل بالماء لإزالة بقايا المواد الأولية غير المتفاعلة ومحفز. عادة تنفيذ 3 × 12 يغسل ساعة مع DI جديدة H ₂ O. والمواد هي الآن جاهزة للتجفيف.
4. تجفيف
   1. فوق الحرجة CO ₂
      1. إعداد العينات غسلها لتجفيف مع CO ₂ فوق الحرجة عن طريق تبادل O المذيبات H ₂ مع الأسيتون. إزالة عينة من حمام الماء ومكان في حمام يحتوي على الأسيتون نظيفة. استبدال مع الأسيتون الطازجة مرتين أكثر في فترات 12 ساعة.
      2. عينات تبادل الأسيتون الحمل في جهاز تجفيف فوق الحرجة، مليئة الأسيتون ومع تعميم المبرد في 12-15 درجة مئوية.
      3. ختم مجفف فوق الحرجة وتبادل مع CO ₂ السائل حتى لا يبقى الأسيتون (4-24 ساعة اعتمادا سن حجم العينة، والكثافة، المسام التشكل، وما إلى ذلك).
      4. اغلاق CO ₂ العرض ورفع درجة حرارة سائل التبريد المتداولة إلى 55 درجة مئوية، مع الحفاظ على الضغط في مجفف فوق الحرجة بين 1،200-1،600 رطل (80-110 بار). عقد في 55 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
      5. تنفيس ببطء CO ₂ (2-12 ساعة) مع الحفاظ على درجة حرارة تعميم المبرد في 55 ° C. إزالة العينات.
   2. تجفيف المحيطة (هلامة جافة)
      1. إعداد العينات غسلها لتجفيف ظل الظروف المحيطة عن طريق تبادل O المذيبات H ₂ مع الأسيتون. إزالة عينة من حمام الماء ومكان في حمام يحتوي على الأسيتون نظيفة. استبدال مع الأسيتون الطازجة مرتين أكثر في فترات 12 ساعة.
      2. وضع عينات تبادل الأسيتون على سطح نظيف (على سبيل المثال، كتلة تفلون). إلى إبطاء معدل تبخر المذيبات لمنع تصدع وتقلص متفاوتة، وتغطي عينة مع كوب مقلوب من حجم كاف لتوفير الكثير من هيئة التعليم العاليدي سبيس.
      3. السماح مذيب لتتبخر ل(24-72 ساعة).
5. تفحيم
   1. أداء الكربنة من الرغاوي المجففة في 1050 درجة مئوية تحت _N 2 الغلاف الجوي. المنحدر من RT بمعدل 5 ° C / دقيقة، وعقد في 1050 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. لاحظ أنه قد تحتاج عينات رقيقة إلى وضعها بين ورقتين من الورق الغرافيت (أو درجة حرارة أخرى مستقرة المواد، غير المتفاعلة) مع الوزن على رأس لمنع الشباك و "التقطيع البطاطا".
6. تفعيل
   1. تفعيل جزءا AARF رغوة الكربون (2 سم × 3 سم × 4 مم، 1.2 غرام) لتوليد 3D nanographene (3D-NG) تحت تتدفق CO ₂ (10 SCCM) في 950 درجة مئوية لمدة 5 ساعة ⁷

2. الجرافين أكسيد الجرافين المشتقة جمعيات الكلية

1. NH ₄ OH المحفزة GO التجمع
   1. في 40 مل التلألؤ القارورة، إضافة الماء منزوع الأيونات (20 مل) 400 ملغ طبقة واحدة الجرافين OXIDه (GO، 300-800 نانومتر القطر). تفريق بدقة باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية (الصوتية السلطة 90 W، تردد 40 كيلوهرتز) O / N.
   2. إضافة المركزة NH ₄ OH الحل (0.211 مل لكل ز GO تعليق).
   3. نقل في قوالب الزجاج التي يمكن أن تكون مختومة محكم (على سبيل المثال، قارورة أو الزجاج الشرائح التي تكون مفصولة طوقا السيليكون الذي يحدد شكل الجزء الصلب الناتج).
   4. وضع قوالب مختومة إلى الفرن 80 ° C وعلاج لمدة 72 ساعة.
   5. بعد المعالجة، وإزالة كتل صلبة من العفن الزجاج ويغسل بالماء لإزالة بقايا المواد الأولية غير المتفاعلة ومحفز. عادة تنفيذ 3 × 12 يغسل ساعة مع DI جديدة H ₂ O. والمواد هي الآن جاهزة للتجفيف.
2. تجفيف
   1. فوق الحرجة CO ₂
      1. إعداد العينات غسلها لتجفيف مع CO ₂ فوق الحرجة عن طريق تبادل O المذيبات H ₂ مع الأسيتون. إزالة عينة من حمام الماء ومكان في الحمام المشتركntaining الأسيتون نظيفة. استبدال مع الأسيتون الطازجة مرتين أكثر في فترات 12 ساعة.
      2. عينات تبادل الأسيتون الحمل في جهاز تجفيف فوق الحرجة، مليئة الأسيتون ومع تعميم المبرد في 12-15 درجة مئوية.
      3. ختم مجفف فوق الحرجة وتبادل مع CO ₂ السائل حتى لا يبقى الأسيتون (4-24 ساعة تبعا لحجم العينة، والكثافة، المسام التشكل، وما إلى ذلك). يشار الصرف الكامل من جانب وقف يقطر الأسيتون في صمام العادم من الصحون فوق الحرجة.
      4. اغلاق CO ₂ العرض ورفع درجة حرارة سائل التبريد المتداولة إلى 55 درجة مئوية، مع الحفاظ على الضغط في مجفف فوق الحرجة بين 1،200-1،600 رطل (80-110 بار). عقد في 55 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
      5. تنفيس ببطء CO ₂ (2-12 ساعة) مع الحفاظ على درجة حرارة تعميم المبرد في 55 ° C. إزالة العينات.
   2. تجفيف المحيطة (هلامة جافة)
      لاحظ أنه قد تحتاج عينات رقيقة لتوضع بينورقتين من تفلون (أو غيرها من المواد غير لاصقة) مع الوزن على رأس لمنع الشباك و "التقطيع البطاطا".
      1. إعداد العينات غسلها لتجفيف ظل الظروف المحيطة عن طريق تبادل O المذيبات H ₂ مع الأسيتون. إزالة عينة من حمام الماء ومكان في حمام يحتوي على الأسيتون نظيفة. استبدال مع الأسيتون الطازجة مرتين أكثر في فترات 12 ساعة.
      2. وضع عينات تبادل الأسيتون على سطح نظيف (على سبيل المثال، كتلة تفلون). إلى إبطاء معدل تبخر المذيبات لمنع تصدع وغير متكافئ تقلص، وتغطي عينة مع كوب مقلوب من حجم كاف لتوفير الكثير من فراغ الرأس.
      3. السماح مذيب لتتبخر ل(24-72 ساعة).
3. تفحيم
   1. أداء الكربنة من الرغاوي المجففة في 1050 درجة مئوية تحت _N 2 الغلاف الجوي. المنحدر من RT بمعدل 5 ° C / دقيقة، وعقد في 1050 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. لاحظ أنه قد تحتاج عينات رقيقة لتوضع بإلى صف ورقتين من الورق الغرافيت (أو درجة حرارة أخرى مستقرة المواد، غير المتفاعلة) مع الوزن على رأس لمنع الشباك و "التقطيع البطاطا".
   2. يصلب الحراري لالبلورية العالية GMA. أداء الصلب الحرارية الإضافية الرغاوي متفحمة في درجات حرارة تصل إلى 2500 درجة مئوية تحت والغلاف الجوي. المنحدر من RT بمعدل 100 ° C / دقيقة، وعقد في درجة حرارة مرتفعة لمدة 1 ساعة.
4. بعد الكربنة functionalization
   1. غير التساهمية أنثراكوينون functionalization (AQ-GMA)
      1. إعداد محلول 3 ملم من أنثراكوينون (AQ) في ETOH الجاف. الحرارة في قارورة مغلقة في 75 ° C لضمان حل كامل.
      2. إضافة حل AQ الساخن لعينة GMA (~ 2 مل / ملغ من العينة). نقع في قارورة مغلقة لمدة 2 ساعة على 75 درجة مئوية.
      3. إزالة حل AQ الزائدة من قارورة والسماح عينة لتجف في 75 ° CO / N (قنينة سقف قبالة).

Representative Results

يمكن تتبع تطور التكوين المادي والتشكل خلال تلفيق بطرق مختلفة بما في ذلك حيود الأشعة السينية، رامان الطيفي وNMR، المجهر الإلكتروني، وporosimetry. على سبيل المثال، في التوليف، الانحلال الحراري، وCO ₂ تفعيل الغاز، وأعقب التحويل عن طريق حيود الأشعة السينية (XRD) (الشكل 1E). غياب الذروة (002) حيود المتعلقة التراص في نمط XRD بعد التنشيط (تتبع الأزرق) يدل على الانتقال من بنية تحتوي على nanoplatelets الجرافيت إلى واحدة تتألف من طبقة واحدة الجرافين. المجهر الإلكتروني (SEM) وعالية الدقة انتقال الإلكترون المجهري (HRTEM) كشف قصيرة، الميزات الخطية، والتي يمكن تحديدها على أنها صحائف الجرافين الفردية ينظر الحافة على (الشكل 1C وD). الميزات رامان للGA مماثلة لتلك التي لوحظت للعينات الجرافين التجارية نما بنسبة ترسيب الأبخرة الكيميائية (الشكل 1F). واستخدمت الحالة الصلبة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) لمتابعة التحول من GO إلى GMA (الشكل 2)، ⁹ الذي يكشف عن أن إيبوكسيد كبير وظيفة الهيدروكسيل (قمم بين 50 و 75 جزء في المليون)، فضلا عن مجموعة الكربونيل (168 جزء في المليون ) في ¹³ منه C NMR الطيف يتم القضاء تقريبا على بعد المعالجة، ويظهر الذروة الكربون الأليفاتية (26 جزء في المليون)، مما يوحي بأن تشارك إيبوكسيد والهيدروكسيل المجموعات في آلية عبر ربط. بعد الانحلال الحراري / كربون، إلا بقايا الذروة الكربون س ^{2 و 1} H NMR الطيف (الشكل 2B) ويظهر أيضا القضاء لCH ₂ - و-CH ₂ O- الأنصاف مما يشير إلى أن الكربون SP3 عبر الروابط تم تحويلها حراريا ل موصل س ² تقاطعات الكربون. تم تحليل المجهرية GMA بواسطة SEM ويبدو مماثلة لتلك التي ذكرت في المجالس الجرافين أخرى (الشكل 3 هو مبين في الشكل 4A هو النوع الرابع، يدل على المواد mesoporous. وقد تميزت آخر تعديل الاصطناعية من GMA مع أنثراكوينون عن طريق التحليل الحراري الوزني (TGA)، مع الأيسوثرم التمثيلية المعروضة في الأرقام 5B و C. مشتقات منحنيات فقدان كتلة تظهر قمم في درجات حرارة مختلفة لAQ-GMA والجزء الأكبر عبد القدير يرجع ذلك إلى امتصاص الجزيء AQ على الركيزة الكربون. وتضمن توصيف الكهروكيميائية voltammetry دوري (CV)، مما يدل على أن عبد القدير الامتزاز على القطب GMA أنتجت عكسها ومستقر faradaic تخزين تهمة (الشكل 6A).

الشكل 1. المعالجة والهندسة المعمارية 3D-NG (GA). (A) تخطيطي ومقرها البوليمر من أعلى إلى أسفل النهج. (B) رسم توضيحي لمتانة ميكانيكية ل3D-NG عينة سنتيمترا الحجم. (C) توسيع بنية الشبكة ماكروبوروس تتألف من المسام ميكرون الحجم والأربطة. (D) هيكل داخلي من الأربطة مكونة من صفائح الجرافين المنحنية ومتشابكة. وتتميز المناطق طبقة مزدوجة يختارهم الأشكال البيضاوية، ويظهر لمحة كثافة نموذجية في جميع أنحاء هذه المنطقة طبقة مزدوجة على اليسار. (E) X-راي البيانات حيود يؤكد التحول من عنصر متعدد الطبقات الجرافين الأولي لأحد أن يسيطر عليها طبقة واحدة الجرافين. (F) مقارنة بين أطياف رامان في D / G المنطقة الفرقة من 3D-NG وmultiple- طبقة الجرافين. تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 7. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

رقيقة الصفحة = "دائما">
الشكل 2. NMR توصيف خلال GMA التجميع والمعالجة الحرارية. (A) ¹³ C NMR الأطياف لGO مسحوق، انتقل بعد دبق الأولي، و3D الجرافين macroassembly. (B) ¹ H NMR الأطياف لGMA قبل وبعد التلدين الحراري. تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 9. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3. الصور FE-SEM من سطح الكسر من الجرافين 3D macroassembly. (A) قليلة التكبير. (B) عالية التكبير. تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 9.الصورة: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4. مسام مورفولوجية غماس. (A) النيتروجين الامتزاز / الامتزاز الأيسوثرم. (B) مسام حجم التوزيع. تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 9. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5. تحضير وتوصيف AQ-غماس. (A) إجراء الاصطناعية والتوضيح التخطيطي من غير التساهمية-AQ functionalization من الأقطاب الكهربائية GMA. (B (C) منحنى TGA لمعظم AQ (ع تدفق 10 مل دقيقة ^-1، 10 ° C دقيقة ^-1 درجة الحرارة المنحدر). مشتقة المنحنيات الجماعية الخسارة (الخطوط المتقطعة) تظهر قمم في درجات حرارة مختلفة لAQ-GMA مقابل الأكبر عبد القدير. وعند درجة حرارة أعلى من أكثر من 60 ° C تشير امتصاص الجزيئات AQ على الركيزة الكربون. تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 15. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 6. الكهروكيميائية توصيف AQ-غماس. (A) voltammogram دوري (2 بالسيارات ثانية ^-1، 1 M حمض الهيدروكلوريك) عن 250 مم الأقراص GMA سميكة، كما أعدت (لي الصلبةشمال شرق)، ومع 12.4٪ بالوزن عبد القدير تحميل (خط متقطع). (B) السير الذاتية للنفس 12.4٪ بالوزن عينة AQ-GMA على مختلف معدلات اكتساح المحتملة. يوضح مؤامرة أقحم أن عبد القدير المساهمة في تهمة سعة تخزين لا تزال مستمرة حتى> 60 بالسيارات ثانية ^-1، حيث تسبب مقاومة حل مثل overpotentials كبير أن عبد القدير لا يمكن توجيه الاتهام تماما ضمن إطار الجهد التطبيقي. (تم اشتقاق القيم القدرات من خلال دمج ذروة التصريف مرتبطة بالقاعدة وطرح القدرات الكامنة وراء GMA). وقد تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 15. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

ومن المهم أن نلاحظ أن الإجراءات المبينة هنا هي الممثل الوحيد. العديد من التعديلات الممكنة على المواد لحن لتطبيق معين. على سبيل المثال، تتراوح تركيزات مادة أولية، مع الحفاظ الريسورسنول / الفورمالديهايد (RF) نسبة ثابتة، يمكن أن يكون لها تأثير على كثافة المواد النهائية. المحفز يمكن أن يغير المسام التشكل، على التحميل العالي في إجراء RF يؤدي إلى الجسيمات الأولية الصغيرة، والعكس بالعكس. الوقت التنشيط يمكن أن تلعب دورا كذلك؛ في بعض الأحيان تفعيل أقصر، يتم إنشاء المسامية جديدة في شكل micropores بينما في أوقات تفعيل أطول واتسعت micropores إلى الأحجام التي تعبر الحدود من micropore-mesopore ¹⁵ بالإضافة إلى ذلك، فإن الوقت التنشيط يجب أن تأخذ بعين الاعتبار وزن الرغوة الكربون ابتداء؛ وقد كاليفورنيا عوائد نموذجية من عملية التنشيط المذكورة أعلاه 25٪ -30٪، استنادا إلى وزن رغوة الكربون ابتداء.

الصورة = "jove_content"> أنواع نفسه من تعديلات يمكن إجراء فيما يتعلق الإضافات مثل الأنابيب النانوية الكربونية وانتقل إلى RF بدءا الحل. باستخدام التقنيات العامة المذكورة أعلاه، تم إعداد الرغاوي بنسب تتراوح CNT 0-60٪ بالوزن (فيما يتعلق الصلبة RF). أعلى ايروجيل الموصلية الجرافين يتحقق مع هذا الأسلوب يستخدم 1٪ بالوزن GO و 4٪ بالوزن RF في خليط التفاعل الأولي. أسفرت GO النسب في قيم التوصيل أقل: استخدام العالي RF. macroassemblies الجرافين تقتصر عادة على تركيزات الأولية من ≤20 ملغ / مل لأنه من الصعب تحقيق التعليق مستقرة في تركيزات أعلى؛ التعليق أقل من 10 ملغ / مل سوف لا تزال تشكل هياكل متجانسة، إلا أنها تقلص إلى حد كبير على علاج والكربنة صنع المواد كثافة منخفضة للغاية يصعب تحقيقها من خلال التركيز الأولي وحدها.

يوفر درجة حرارة الكربنة أيضا فرصا للمادة ضبط. زيادة الموصلية الكهربائيةق بشكل كبير فوق 800 درجة مئوية لمدة RF المواد القائمة. في درجات حرارة الكربنة فوق 1500 درجة مئوية، غماس تفقد مساحة السطح وتصبح أكثر غرافيتي، مع عدد أقل من العيوب في صحائف الجرافين.

وعلى النقيض من المرونة في تخليق المواد المذكورة أعلاه، وجدنا أنه عندما functionalizing المواد GMA مع أنثراكوينون، وزيادة التركيز وتعد نقع لم الأوقات لا يؤدي في أعلى AQ التحميل. ويمكن أن يعزى هذا إلى ما يقرب من أحادي الطبقة التغطية عبد القدير، مع طبقات وراء تفتقر أولا تحقيق الاستقرار فان دير فال التفاعلات مع الركيزة GMA.

ووصفت التطبيقات المستقبلية للبروتوكول الاصطناعية هنا تشمل دمج القوالب الأضاحي في تصنيع المواد لتحديد macroporosity وتحسين النقل الجماعي، على سبيل المثال، وتدفق أقطاب البطارية. ^18،19 يجري العمل أيضا على صياغة RF وGO حلول السلائف من أجل التوافق مع التصنيع المتقدم (3Dالطباعة) تقنيات مثل الكتابة بالحبر المباشر والإسقاط microstereo الطباعة الحجرية. ²⁰ وأخيرا، نحن مستمرون في تطوير المواد المركبة رواية تقوم على السقالات الجرافين 3D ²¹

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