Engineering

संश्लेषण और 3 डी नैनो के graphene सामग्री की functionalization: ग्राफीन Aerogels और ग्राफीन मैक्रो विधानसभाओं

Published: November 5, 2015 doi: 10.3791/53235

Patrick G. Campbell¹, Marcus A. Worsley¹, Anna M. Hiszpanski¹, Theodore F. Baumann¹, Juergen Biener¹

¹Materials Science Division, Lawrence Livermore National Laboratory

Abstract

तीन आयामी अखंड संरचनाओं में graphene के इकट्ठा करने के प्रयासों को उच्च लागत और ग्राफीन के गरीब प्रोसेस द्वारा बाधा उत्पन्न कर दिया है। इसके अतिरिक्त, सबसे graphene के विधानसभाओं एक साथ उनके यांत्रिक शक्ति और चालकता की सीमा जो शारीरिक बातचीत (जैसे, वान डर वाल्स बल) के बजाय रासायनिक बांड के माध्यम से आयोजित की जाती हैं की सूचना दी। यह वीडियो विधि विवरण हाल ही में बहुलक फोम या एकल परत graphene ऑक्साइड या तो से निकाली गई जन-उत्पाद्य, ग्राफीन आधारित थोक माल बनाना करने के लिए रणनीति विकसित की है। इन सामग्रियों को मुख्य रूप से covalently बाध्य कार्बन linkers के माध्यम से जुड़े व्यक्ति को पत्रक graphene से मिलकर बनता है। वे ऐसे ट्यून करने योग्य ताकना आकृति विज्ञान और असाधारण यांत्रिक शक्ति और लोच के साथ संयुक्त उच्च सतह क्षेत्र और उच्च विद्युत और तापीय चालकता, के रूप में ग्राफीन की अनुकूल गुणों को बनाए रखने। यह लचीला कृत्रिम विधि बहुलक / कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) एक का निर्माण करने के लिए बढ़ाया जा सकता हैडी बहुलक / graphene के ऑक्साइड (जाओ) मिश्रित सामग्री। इसके अलावा, anthraquinone साथ अतिरिक्त पद सिंथेटिक functionalization supercapacitor अनुप्रयोगों में प्रभारी भंडारण प्रदर्शन में एक नाटकीय वृद्धि के लिए सक्षम बनाता है, जो वर्णन किया गया है।

Introduction

2004 में ग्राफीन की अलगाव के बाद से, अपने विशिष्ट गुणों के दोहन में ^एक ब्याज व्यक्तिगत graphene चादरों के गुणों को बनाए रखने कि तीन आयामी, अखंड संरचनाओं में कोडांतरण है graphene की ओर निर्देशित तीव्र प्रयास करने के लिए प्रेरित किया है। ^2-5 इन प्रयासों के द्वारा बाधा उत्पन्न की गई है graphene के ही महंगा है और समय का उत्पादन करने के लिए लगता है और ग्राफीन इमारत ब्लॉकों पर आधारित सामग्री के scalability की सीमा समाधान है, जो में कुल करने के लिए जाता है कि तथ्य यह है। इसके अतिरिक्त, graphene विधानसभाओं आम तौर पर बहुत कम प्रवाहकीय और रासायनिक बंधन पार से लिंक से यंत्रवत् मजबूत कर रहे हैं, जो अलग-अलग graphene चादरें के बीच शारीरिक पार से जोड़ने की बातचीत (जैसे, वान डेर दीवारों बलों), के शामिल हैं। लॉरेंस लिवरमोर राष्ट्रीय प्रयोगशाला में 1980 के दशक के बाद से उपन्यास झरझरा, कम घनत्व कार्बन सामग्री के विकास में शामिल किया गया है। ⁶ कई रणनीतियों बड़े पैमाने पर उत्पादों होगा निर्माण करने के लिए पहचान की गई हैgraphene के स्थूल कहा जाता है, जो (जाओ) चादरें, graphene के aerogels कहा जाता है जो कम लागत बहुलक व्युत्पन्न कार्बन फोम (गैस), ⁷ दोनों से के रूप में अच्छी तरह के रूप में graphene ऑक्साइड के प्रत्यक्ष पार से जोड़ने के द्वारा CIBLE ग्राफीन आधारित अखंड थोक माल विधानसभाओं (GMAs)। ^8,9 ये अति उच्च सतह क्षेत्र थोक माल उच्च विद्युत और तापीय चालकता, असाधारण यांत्रिक शक्ति और लोच, और ट्यून करने योग्य ताकना morphologies है। गैस और GMAs इलेक्ट्रोड supercapacitors में सामग्री और रिचार्जेबल बैटरी, उन्नत उत्प्रेरक का समर्थन करता है, Adsorbents, थर्मल इन्सुलेशन, सेंसर, और desalinization सहित कई अनुप्रयोगों में उपयोगिता पाया है। ¹⁰

graphene के aerogels के संश्लेषण अत्यधिक पार से जुड़े जैविक जैल उत्पन्न करने के लिए resorcinol और formaldehyde के एक जलीय समाधान के प जेल polymerization के साथ शुरू होता है। ये जैल एक मैं में तो सुपरक्रिटिकल सीओ ₂ का उपयोग सूखे, पानी और एसीटोन से धोया और pyrolyzed रहे हैंnert माहौल अपेक्षाकृत कम सतह क्षेत्र और ताकना मात्रा के साथ कार्बन aerogels देने के लिए। कार्बन aerogels (सीओ ₂₎ जैसे उच्च सतह क्षेत्र और खुला ताकना आकृति विज्ञान के साथ दोनों अनाकार कार्बन और ग्रेफाइट nanoplatelets से बना एक पार से जुड़े सामग्री, फार्म को हल्के ऑक्सीकरण शर्त के तहत कार्बन परमाणुओं की नियंत्रित हटाने से सक्रिय कर रहे हैं। ⁷ एक अनूठा लाभ की प-जेल संश्लेषण गैस आवेदन की जरूरतों पर निर्भर करता है, रूपों, सहित monoliths और पतली फिल्मों की एक किस्म में गढ़े जा सकता है। कार्बन नैनोट्यूब ¹¹ और / या पत्रक graphene ¹² प जेल अग्रदूत समाधान में इन additives सहित द्वारा गैस में एकीकृत किया जा सकता है। इस additive प्राथमिक कार्बन नेटवर्क संरचना का एक हिस्सा बन जाता है जिसमें समग्र संरचना उत्पन्न करता है। इसके अतिरिक्त, जीए ढांचे जलकर / सक्रियता के बाद या तो airgel सतह के संशोधन के माध्यम से या सामग्री के बयान के माध्यम से क्रियाशील किया जा सकता है,उदाहरण के लिए उत्प्रेरक के ढांचे संरचना पर, नैनोकणों। ¹³

ग्राफीन मैक्रो-विधानसभाओं (GMAs) द्वारा तैयार हैं सीधे पार से जोड़ने को निलंबित कर दिया है graphene ऑक्साइड (जाओ) चादरें, अपने निहित रासायनिक कार्यक्षमता का लाभ ले रही है। ⁹ जाओ शीट के रूप में सेवा कर सकते हैं कि epoxide और हाइड्रॉक्साइड moieties सहित कार्य समूहों की एक किस्म के होते हैं, रासायनिक पार से जोड़ने साइटों। जीए तैयारी में है, तो विधानसभा के लिए संरचनात्मक समर्थन प्रदान करते हैं कि प्रवाहकीय कार्बन पुलों में रासायनिक पार से लिंक को कम करने के लिए pyrolized, GMAs supercritically झरझरा नेटवर्क की रक्षा करने के सूख रहे हैं इकट्ठे हुए। कारण graphene चादरें के बीच सहसंयोजक कार्बन पुलों के लिए, GMAs शारीरिक पार से जोड़ने के साथ बनाई है graphene विधानसभाओं से अधिक परिमाण के आदेश हैं कि विद्युत चालकता और यांत्रिक कठोरता है। इसके अतिरिक्त, GMAs एक भी graphene चादर के सैद्धांतिक मूल्य के करीब पहुंच सतह क्षेत्रों की है। पोस्ट-सिंथेटिक थर्मल टीऊंचा तापमान (> 1,050 डिग्री सेल्सियस) में काफी करने के लिए भी उच्च चालकता और यंग moduli के साथ-साथ बेहतर थर्मल ऑक्सीकरण प्रतिरोध प्रमुख, GMAs की स्फटिकता सुधार कर सकते हैं। इस तरह के रूप redox सक्रिय कार्बनिक अणुओं के साथ GMAs की ¹⁴ पोस्ट-सिंथेटिक रासायनिक उपचार पर reatment anthraquinone supercapacitor अनुप्रयोगों में प्रभारी भंडारण क्षमता बढ़ा सकते हैं। ¹⁵

गैस और GMAs की ट्यून करने योग्य सामग्री गुण भाग में, इस तरह के अभिकर्मक और उत्प्रेरक सांद्रता, इलाज समय और तापमान, सूखे की स्थिति, और जलकर / सक्रियण प्रक्रियाओं के रूप में ध्यान से बदलती कृत्रिम परिस्थितियों का परिणाम। ¹⁶ यह विस्तृत वीडियो प्रोटोकॉल अस्पष्टता को हल करना है, कर रहे हैं प्रकाशित तरीकों में, और सामग्री और शर्तों को पुन: पेश करने के लिए प्रयास शोधकर्ताओं मार्गदर्शन करने के लिए।

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Protocol

1. Resorcinol-फॉर्मेल्डीहाइड (आरएफ) व्युत्पन्न ग्राफीन Aerogels

ना _{2 3} सीओ कार्बन airgel उत्प्रेरित (11% ठोस, सीआरएफ)
1. एक 40 मिलीलीटर जगमगाहट शीशी में, resorcinol (0.625 जी, 5.68 mmol) विआयनीकृत पानी (7.1 एमएल) जोड़ने और 1 मिनट के लिए एक भंवर पर मिश्रण। पानी अलावा करने से पहले एक मोर्टार और मूसल का उपयोग करने के लिए पाउडर बड़े resorcinol टुकड़े क्रश। वे पूरी तरह से अगले चरण तक भंग नहीं हो सकता है कि ध्यान दें।
2. 1 मिनट के लिए resorcinol गारा और भंवर 37% formaldehyde समाधान (0.900 ग्राम, 11.4 mmol) जोड़ें।
3. 1 मिनट के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण और भंवर सोडियम कार्बोनेट (0.003 ग्राम, 0.028 mmol) जोड़ें।
4. तंग हवा सील किया जा सकता है कि कांच molds करने के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण स्थानांतरण (जैसे, एक सिलिकॉन गैसकेट से अलग होती है कि शीशी या गिलास स्लाइड) जिसके परिणामस्वरूप ठोस भाग के आकार को परिभाषित करता है।
5. एक 80 डिग्री सेल्सियस ओवन में सील नए नए साँचे की जगह और 72 घंटे के लिए इलाज।
6. इलाज करने के बाद, प हटानेपानी के साथ कांच ढालना और धोने से आईडी monoliths अवशिष्ट unreacted प्रारंभिक सामग्री और उत्प्रेरक को दूर करने के लिए। आमतौर पर हम ताजा डि एच ₂ ओ के साथ 3 एक्स 12 घंटा washes प्रदर्शन सामग्री अब सुखाने के लिए तैयार है।
एसिटिक एसिड कार्बन airgel (AARF) ¹⁷ उत्प्रेरित
1. एक 40 मिलीलीटर जगमगाहट शीशी में, resorcinol विआयनीकृत पानी (15 एमएल) जोड़ने (12.3 ग्राम, 0.112 मोल) और 1 मिनट के लिए एक भंवर पर मिश्रण। पानी अलावा करने से पहले एक मोर्टार और मूसल का उपयोग करने के लिए पाउडर बड़े resorcinol टुकड़े क्रश। वे पूरी तरह से अगले चरण तक भंग नहीं हो सकता है कि ध्यान दें।
2. 1 मिनट के लिए resorcinol गारा और भंवर 37% formaldehyde समाधान (17.9 ग्राम, 0.224 मोल) जोड़ें।
3. 1 मिनट के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण और भंवर हिमनदों एसिटिक एसिड (0.44 छ, 0.007 मोल) जोड़ें।
4. हवा तंग सील किया जा सकता है कि कांच molds करने के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण स्थानांतरण (जैसे, शीशी या एक सिलिकॉन गैसकेट से अलग हो रहे हैं कि गिलास स्लाइड) resu के आकार को परिभाषित है, जोठोस भाग lting।
5. एक 80 डिग्री सेल्सियस ओवन में सील नए नए साँचे की जगह और 72 घंटे के लिए इलाज।
6. इलाज करने के बाद, कांच आचारण से ठोस monoliths हटाने और अवशिष्ट unreacted प्रारंभिक सामग्री और उत्प्रेरक को दूर करने के लिए पानी से धो लें। आमतौर पर हम ताजा डि एच ₂ ओ के साथ 3 एक्स 12 घंटा washes प्रदर्शन सामग्री अब सुखाने के लिए तैयार है।
आरएफ अग्रदूत समाधान करने के लिए कार्बन Additives (सीएनटी, जाओ)
1. कार्बन नैनोट्यूब / आरएफ कम्पोजिट ¹¹
  1. विआयनीकृत पानी में 1% wt एकल दीवारों कार्बन नैनो ट्यूब को निरस्त करने और अच्छी तरह से एक अल्ट्रासोनिक स्नान (ध्वनि की शक्ति 90 डब्ल्यू, आवृत्ति 40 किलोहर्ट्ज़) का उपयोग फैलाने के।
  2. सीएनटी फैलाव के 1.5 ग्राम के लिए resorcinol (1.235 ग्राम, 11.2 mmol), formaldehyde (1.791 ग्राम, 22.1 mmol), और सोडियम कार्बोनेट उत्प्रेरक (5.95 मिलीग्राम, 0.056 mmol) जोड़ें।
  3. हवा तंग सील किया जा सकता है कि कांच molds करने के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण स्थानांतरण (जैसे, एक सिलिकॉन गैसकेट से अलग होती है कि शीशी या गिलास स्लाइड), defin जोजिसके परिणामस्वरूप ठोस भाग के आकार ई।
  4. एक 80 डिग्री सेल्सियस ओवन में सील नए नए साँचे की जगह और 72 घंटे के लिए इलाज।
  5. इलाज करने के बाद, कांच आचारण से ठोस monoliths हटाने और अवशिष्ट unreacted प्रारंभिक सामग्री और उत्प्रेरक को दूर करने के लिए पानी से धो लें। आमतौर पर ताजा डि एच ₂ ओ के साथ 3 एक्स 12 घंटा washes प्रदर्शन सामग्री अब सुखाने के लिए तैयार है।
2. समग्र ग्राफीन ऑक्साइड / आरएफ ¹²
  1. विआयनीकृत पानी में 1% wt के graphene ऑक्साइड (जाओ, 300-800 एनएम व्यास) को निरस्त करने और अच्छी तरह से एक अल्ट्रासोनिक स्नान (ध्वनि की शक्ति 90 डब्ल्यू, आवृत्ति 40 किलोहर्ट्ज़) का उपयोग फैलाने के।
  2. जाओ फैलाव के 1.5 ग्राम के लिए resorcinol (1.235 ग्राम, 11.2 mmol), formaldehyde (1.791 ग्राम, 22.1 mmol, 37% समाधान) और सोडियम कार्बोनेट उत्प्रेरक (5.95 मिलीग्राम, 0.056 mmol) जोड़ें।
  3. हवा तंग सील किया जा सकता है कि कांच molds करने के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण स्थानांतरण (जैसे, शीशी या एक सिलिकॉन गैसकेट से अलग हो रहे हैं कि गिलास स्लाइड) के आकार को परिभाषित जोठोस भाग जिसके परिणामस्वरूप।
  4. एक 80 डिग्री सेल्सियस ओवन में सील नए नए साँचे की जगह और 72 घंटे के लिए इलाज।
  5. इलाज करने के बाद, कांच आचारण से ठोस monoliths हटाने और अवशिष्ट unreacted प्रारंभिक सामग्री और उत्प्रेरक को दूर करने के लिए पानी से धो लें। आमतौर पर ताजा डि एच ₂ ओ के साथ 3 एक्स 12 घंटा washes प्रदर्शन सामग्री अब सुखाने के लिए तैयार है।
सुखाने
1. सुपरक्रिटिकल सीओ ₂
  1. एसीटोन के साथ एच ₂ ओ विलायक आदान प्रदान से सुपरक्रिटिकल सीओ ₂ के साथ सुखाने के लिए धोया नमूने तैयार। नहाने के पानी से नमूना निकालें और स्वच्छ एसीटोन युक्त स्नान में जगह है। 12 घंटे के अंतराल पर ताजा एसीटोन के साथ दो बार बदलें।
  2. लोड, एक सुपरक्रिटिकल सुखाने तंत्र में नमूने एसीटोन-विमर्श एसीटोन के साथ और 12-15 डिग्री सेल्सियस पर शीतलक घूम साथ भर दिया।
  3. कोई एसीटोन रहता है जब तक सुपरक्रिटिकल ड्रायर और तरल सीओ ₂ के साथ आदान-प्रदान मुहर (4-24 घंटे के आधार ओn नमूने का आकार, घनत्व, ताकना आकृति विज्ञान, आदि)।
  4. सीओ ₂ की आपूर्ति बंद और 1,200-1,600 साई (80-110 बार) के बीच सुपरक्रिटिकल ड्रायर में दबाव बनाए रखते हुए, 55 डिग्री सेल्सियस के लिए शीतलक घूम का तापमान बढ़ा। 1 घंटे के लिए 55 डिग्री सेल्सियस पर पकड़ो।
  5. 55 डिग्री सेल्सियस पर घूम शीतलक के तापमान को बनाए रखते हुए धीरे-धीरे सीओ ₂ (2-12 घंटा) वेंट। नमूने निकालें।
2. परिवेश सुखाने (Xerogel)
  1. एसीटोन के साथ एच ₂ ओ विलायक आदान प्रदान से परिवेश की स्थिति के तहत सुखाने के लिए धोया नमूने तैयार। नहाने के पानी से नमूना निकालें और स्वच्छ एसीटोन युक्त स्नान में जगह है। 12 घंटे के अंतराल पर ताजा एसीटोन के साथ दो बार बदलें।
  2. एक साफ सतह (जैसे, Teflon ब्लॉक) पर एसीटोन-विमर्श नमूने रखें। खुर और असमान सिकुड़ने को रोकने के लिए विलायक वाष्पीकरण की दर को धीमा करने के लिए, hea के बहुत प्रदान करने के लिए पर्याप्त मात्रा में से एक औंधा बीकर के साथ नमूना कवरDspace।
  3. (24-72 घंटा) के लिए लुप्त हो जाना विलायक अनुमति दें।
अथ जलकर कोयला हो जाना
1. एन ₂ वातावरण के तहत 1,050 डिग्री सेल्सियस पर सूखे फोम की जलकर प्रदर्शन करते हैं। 5 डिग्री सेल्सियस / मिनट की दर से आरटी से रैंप, और 3 घंटे के लिए 1,050 डिग्री सेल्सियस पर पकड़। पतली नमूने कर्लिंग और रोकने के लिए शीर्ष पर वजन के साथ ग्रेफाइट कागज (या अन्य तापमान स्थिर, गैर प्रतिक्रियाशील सामग्री) के दो चादरें के बीच रखा जाना पड़ सकता है ध्यान दें कि "आलू छिल।"
एक्टिवेशन
1. एक AARF कार्बन फोम हिस्सा सक्रिय करें (2 सेमी × 3 सेमी × 4 मिमी, 1.2 ग्राम) 5 घंटे के लिए 950 डिग्री सेल्सियस पर सीओ ₂ (10 SCCM) बहने के तहत 3 डी nanographene (3 डी-एनजी) उत्पन्न करने के लिए। ⁷

2. ग्राफीन ऑक्साइड व्युत्पन्न ग्राफीन मैक्रो विधानसभाओं

एनएच ₄ ओह विधानसभा जाओ उत्प्रेरित
1. एक 40 मिलीलीटर जगमगाहट शीशी में, 400 मिलीग्राम एकल परत graphene Oxid विआयनीकृत पानी (20 एमएल) जोड़नेई (जाओ, 300-800 एनएम व्यास)। अच्छी तरह से एक अल्ट्रासोनिक स्नान (ध्वनि की शक्ति 90 डब्ल्यू, आवृत्ति 40 किलोहर्ट्ज़) हे / n का उपयोग फैलाने के।
2. केंद्रित एनएच ₄ OH समाधान (छ जाओ निलंबन प्रति 0.211 मिलीग्राम) जोड़ें।
3. वायुरोधी सील किया जा सकता है कि कांच के सांचों में ट्रांसफर (जैसे, जिसके परिणामस्वरूप ठोस भाग के आकार को परिभाषित करता है, जो एक सिलिकॉन गैसकेट से अलग होती है कि स्लाइड शीशी या ग्लास)।
4. एक 80 डिग्री सेल्सियस ओवन में सील नए नए साँचे की जगह और 72 घंटे के लिए इलाज।
5. इलाज करने के बाद, कांच आचारण से ठोस monoliths हटाने और अवशिष्ट unreacted प्रारंभिक सामग्री और उत्प्रेरक को दूर करने के लिए पानी से धो लें। आमतौर पर ताजा डि एच ₂ ओ के साथ 3 एक्स 12 घंटा washes प्रदर्शन सामग्री अब सुखाने के लिए तैयार है।
सुखाने
1. सुपरक्रिटिकल सीओ ₂
  1. एसीटोन के साथ एच ₂ ओ विलायक आदान प्रदान से सुपरक्रिटिकल सीओ ₂ के साथ सुखाने के लिए धोया नमूने तैयार। नहाने के पानी से नमूना निकालें और स्नान सह में जगहस्वच्छ एसीटोन ntaining। 12 घंटे के अंतराल पर ताजा एसीटोन के साथ दो बार बदलें।
  2. लोड, एक सुपरक्रिटिकल सुखाने तंत्र में नमूने एसीटोन-विमर्श एसीटोन के साथ और 12-15 डिग्री सेल्सियस पर शीतलक घूम साथ भर दिया।
  3. (4-24 घंटा नमूने का आकार, घनत्व, ताकना आकृति विज्ञान, आदि के आधार पर) कोई एसीटोन रहता है जब तक तरल सीओ ₂ के साथ सुपरक्रिटिकल ड्रायर और विनिमय सील। पूरा विनिमय सुपरक्रिटिकल ड्रायर के निकास वाल्व में एसीटोन भरी की समाप्ति ने संकेत दिया है।
  4. सीओ ₂ की आपूर्ति बंद और 1,200-1,600 साई (80-110 बार) के बीच सुपरक्रिटिकल ड्रायर में दबाव बनाए रखते हुए, 55 डिग्री सेल्सियस के लिए शीतलक घूम का तापमान बढ़ा। 1 घंटे के लिए 55 डिग्री सेल्सियस पर पकड़ो।
  5. 55 डिग्री सेल्सियस पर घूम शीतलक के तापमान को बनाए रखते हुए धीरे-धीरे सीओ ₂ (2-12 घंटा) वेंट। नमूने निकालें।
2. परिवेश सुखाने (xerogel)
  पतली नमूनों के बीच रखा जा करने की आवश्यकता हो सकती है कि नोटशीर्ष पर वजन के साथ Teflon (या अन्य गैर छड़ी सामग्री) के दो चादरें कर्लिंग और रोकने के लिए "आलू छिल।"
  1. एसीटोन के साथ एच ₂ ओ विलायक आदान प्रदान से परिवेश की स्थिति के तहत सुखाने के लिए धोया नमूने तैयार। नहाने के पानी से नमूना निकालें और स्वच्छ एसीटोन युक्त स्नान में जगह है। 12 घंटे के अंतराल पर ताजा एसीटोन के साथ दो बार बदलें।
  2. एक साफ सतह (जैसे, Teflon ब्लॉक) पर एसीटोन-विमर्श नमूने रखें। खुर और असमान सिकुड़ने को रोकने के लिए विलायक वाष्पीकरण की दर को धीमा करने के लिए, दौर से गुजर के बहुत प्रदान करने के लिए पर्याप्त मात्रा में से एक औंधा बीकर के साथ नमूना कवर।
  3. (24-72 घंटा) के लिए लुप्त हो जाना विलायक अनुमति दें।
अथ जलकर कोयला हो जाना
1. एन ₂ वातावरण के तहत 1,050 डिग्री सेल्सियस पर सूखे फोम की जलकर प्रदर्शन करते हैं। 5 डिग्री सेल्सियस / मिनट की दर से आरटी से रैंप, और 3 घंटे के लिए 1,050 डिग्री सेल्सियस पर पकड़। पतली नमूने ख रखा जाना पड़ सकता है कि नोटशीर्ष पर वजन के साथ ग्रेफाइट कागज (या अन्य तापमान स्थिर, गैर प्रतिक्रियाशील सामग्री) की etween दो चादरें कर्लिंग और रोकने के लिए "आलू छिल।"
2. अत्यधिक क्रिस्टलीय जीएमए के लिए थर्मल पानी रखना। उन्होंने कहा कि वातावरण के तहत 2,500 डिग्री सेल्सियस तक तापमान पर कार्बनीकृत फोम की अतिरिक्त थर्मल annealing प्रदर्शन करते हैं। 100 डिग्री सेल्सियस / मिनट की दर से आरटी से रैंप, और 1 घंटे के लिए ऊंचा तापमान पर पकड़।
पोस्ट-जलकर functionalization
1. न सहसंयोजक anthraquinone functionalization (ए क्यू-जीएमए)
  1. सूखी EtOH में anthraquinone (ए क्यू) के एक 3 मिमी समाधान तैयार है। 75 डिग्री सेल्सियस पर एक सीलबंद शीशी में हीट पूरा विघटन सुनिश्चित करने के लिए।
  2. जीएमए नमूना करने के लिए गर्म ए.क्यू समाधान जोड़ें (~ 2 मिलीग्राम / नमूना के मिलीग्राम)। 75 डिग्री सेल्सियस पर 2 घंटे के लिए एक सीलबंद शीशी में भिगोकर रख दें।
  3. शीशी से अतिरिक्त ए.क्यू समाधान निकालें और नमूना 75 डिग्री सीओ पर शुष्क करने की अनुमति / एन (शीशी बंद टोपी)।

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Representative Results

निर्माण के दौरान सामग्री संरचना और आकृति विज्ञान के विकास के एक्स-रे विवर्तन, रमन और एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, और porosimetry सहित विभिन्न तरीकों से लगाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, गैस के संश्लेषण, pyrolysis, और सीओ ₂ सक्रियण में, रूपांतरण एक्स-रे विवर्तन (XRD) (चित्रा 1E) द्वारा किया गया। सक्रियण (नीला ट्रेस) के बाद XRD पैटर्न में स्टैकिंग से संबंधित (002) विवर्तन चोटी के अभाव एकल परत graphene से मिलकर एक करने के लिए ग्रेफाइट nanoplatelets युक्त एक संरचना से संक्रमण का संकेत है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और उच्च संकल्प संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HRTEM) बढ़त पर (चित्रा 1 सी और डी) देखी व्यक्ति पत्रक graphene के रूप में पहचाना जा सकता है, जो छोटी, रेखीय सुविधाओं, का पता चला। जीए के लिए रमन सुविधाओं रासायनिक वाष्प जमाव की वृद्धि हुई वाणिज्यिक graphene के नमूने के लिए मनाया उन लोगों के लिए समान हैं (चित्रा 1F)। महत्वपूर्ण है कि epoxide और हाइड्रॉक्सिल कार्यक्षमता (50 और 75 पीपीएम के बीच चोटियों), साथ ही कार्बोनिल समूह (168 पीपीएम से पता चलता है, जो ठोस राज्य परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) जीएमए में जाने के परिवर्तन का पालन करने के लिए इस्तेमाल किया गया था (चित्रा 2), ⁹ ) ने अपने ¹³ सी एनएमआर स्पेक्ट्रम में लगभग इलाज के बाद समाप्त हो जाते हैं, और एक स्निग्ध कार्बन शिखर (26 पीपीएम) epoxide और हाइड्रॉक्सिल समूहों पार से जोड़ने तंत्र में शामिल कर रहे हैं कि पता चलता है, जो दिखाई देता है। और SP3 कार्बन पार लिंक thermally में परिवर्तित किया गया सुझाव है कि -ch ₂ हे moieties - pyrolysis / जलकर के बाद, केवल सपा ² कार्बन शिखर बनी हुई है और ¹ एच एनएमआर स्पेक्ट्रम (चित्रा 2 बी) भी की-सीएच ₂ उन्मूलन से पता चलता है प्रवाहकीय SP ² कार्बन जंक्शनों। जीएमए microstructure चित्रा 3 (SEM द्वारा विश्लेषण किया है और अन्य की graphene विधानसभाओं में सूचना दी है कि इसी तरह प्रतीत होता था चित्रा -4 ए में दिखाया गया नाइट्रोजन porosimetry सोखना / desorption इज़ोटेर्म एक mesoporous सामग्री का संकेत प्रकार चतुर्थ है। Anthraquinone साथ जीएमए के पोस्ट सिंथेटिक संशोधन आंकड़े 5 ब और सी में प्रस्तुत प्रतिनिधि isotherms साथ thermogravimetric विश्लेषण (टीजीए) की विशेषता थी। जन हानि घटता के डेरिवेटिव की वजह से कार्बन सब्सट्रेट पर ए.क्यू अणु की सोखना के लिए ए क्यू-जीएमए और थोक ए क्यू के लिए अलग तापमान पर चोटियों दिखा। विद्युत लक्षण वर्णन जीएमए इलेक्ट्रोड पर ए.क्यू सोखना प्रतिवर्ती और स्थिर faradaic प्रभारी भंडारण (चित्रा 6A) का उत्पादन किया जो दिखाता है कि चक्रीय voltammetry (सीवी), शामिल थे।

चित्र 1
चित्रा 1. प्रसंस्करण और 3 डी-एनजी (जीए) की वास्तुकला। बहुलक आधारित (ए) योजनाबद्धशीर्ष पाद उपागम। एक सेंटीमीटर आकार 3 डी-एनजी नमूना के यांत्रिक मजबूती का (बी) के चित्रण। (सी) माइक्रोमीटर आकार pores और लिगामेंट की रचना ओपन macroporous नेटवर्क वास्तुकला। (डी) घुमावदार और intertwined graphene चादरों से बना स्नायुबंधन की आंतरिक संरचना। चयनित दोहरी परत क्षेत्रों अंडाकार के द्वारा चिह्नित कर रहे हैं, और इस तरह के एक डबल परत पूरे क्षेत्र में एक ठेठ तीव्रता प्रोफ़ाइल छोड़ दिया पर दिखाया गया है। (ई) एक्स-रे एकल परत graphene का प्रभुत्व है कि एक के लिए प्रारंभिक बहुपरत graphene के घटक के परिवर्तन की पुष्टि विवर्तन डेटा। 3 डी-एनजी और एकाधिक परत graphene से डी / जी बैंड क्षेत्र में रमन स्पेक्ट्रा (एफ) तुलना। यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 7. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

पतली-पेज = "हमेशा"> चित्र 2
जीएमए विधानसभा और थर्मल प्रसंस्करण के दौरान चित्रा 2. एनएमआर विशेषता। (ए) ¹³ सी एनएमआर स्पेक्ट्रा के लिए जाना पाउडर, प्रारंभिक जमाना के बाद जाना है, और macroassembly 3 डी में graphene। (बी) के पहले और थर्मल annealing के बाद जीएमए के लिए ¹ एच एनएमआर स्पेक्ट्रा। यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 9. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. macroassembly 3 डी ग्राफीन की अस्थिभंग सतह की एफई-SEM छवियों। (क) कम बढ़ाई। (ख) उच्च बढ़ाई। यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 9।एस: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

GMAs चित्रा 4 ताकना आकृति विज्ञान। (ए) नाइट्रोजन सोखना / desorption इज़ोटेर्म। (बी) के ध्यान में लीन होना आकार वितरण। यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 9. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5. संश्लेषण और AQ-GMAs की विशेषता। (ए) सिंथेटिक प्रक्रिया और जीएमए इलेक्ट्रोड की गैर सहसंयोजक ए.क्यू functionalization के योजनाबद्ध चित्रण। (बी (सी) थोक ए क्यू के लिए टीजीए वक्र लोड हो रहा है के साथ 250 मिमी मोटी ए क्यू-जीएमए डिस्क के लिए) टीजीए वक्र (अर 10 मिलीलीटर मिनट ^-1 प्रवाह, 10 डिग्री सेल्सियस न्यूनतम तापमान ^-1 ) रैंप। डेरिवेटिव जन हानि घटता (धराशायी लाइनों) थोक ए क्यू बनाम ए क्यू-जीएमए के लिए अलग तापमान पर शो चोटियों। अधिक से अधिक 60 डिग्री सेल्सियस के एक उच्च तापमान कार्बन सब्सट्रेट पर ए.क्यू अणुओं की सोखना इंगित करता है। यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 15. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

ए क्यू-GMAs की चित्रा 6 विद्युत लक्षण वर्णन। (ए) तैयार के रूप में चक्रीय voltammogram 250 मिमी मोटी जीएमए डिस्क (2 एम वी सेकंड ^-1, 1 एम एचसीएल), (ठोस लीNE), और 12.4% wt के साथ ए क्यू) (धराशायी लाइन लोड हो रहा है। विभिन्न संभावित झाडू दरों पर ही 12.4% wt ए क्यू-जीएमए नमूना (बी) सीवी। इनसेट साजिश भंडारण क्षमता को चार्ज करने के ए.क्यू योगदान निरंतर बनी हुई है दिखाता है कि समाधान प्रतिरोध ए.क्यू पूरी तरह से लागू वोल्टेज खिड़की के भीतर चार्ज नहीं कर सकते कि इस तरह के बड़े overpotentials का कारण बनता है जहां> 60 एम वी सेकंड ^-1, जब तक। (क्षमता मूल्यों ए क्यू के साथ जुड़े मुक्ति शिखर को एकीकृत करने और जीएमए की अंतर्निहित क्षमता को घटा कर प्राप्त किए गए हैं।) यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 15. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

यह यहां उल्लिखित प्रक्रियाओं ही प्रतिनिधि हैं कि नोट के लिए महत्वपूर्ण है। कई समायोजन एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए धुन सामग्री के लिए संभव हो रहे हैं। उदाहरण के लिए, resorcinol / formaldehyde (आरएफ) अनुपात निरंतर रखते हुए, अंतिम सामग्री घनत्व पर एक प्रभाव हो सकता है, सामग्री शुरू सांद्रता बदलती। आरएफ प्रक्रिया में एक उच्च लोड छोटे प्राथमिक कणों और उपाध्यक्ष प्रतिकूल करने के लिए सुराग के रूप में उत्प्रेरक लोडिंग, ताकना आकृति विज्ञान बदल सकते हैं। एक्टिवेशन समय के रूप में अच्छी तरह से एक भूमिका निभा कर सकते हैं; छोटे कद के सक्रियण समय पर, नई सरंध्रता जबकि micropores Micropore-mesopore सीमा पार कि आकार करने के लिए चौड़ी कर रहे हैं अब सक्रियण समय पर micropores के रूप में उत्पन्न होता है ¹⁵ इसके अतिरिक्त, ध्यान में शुरू होने वाले कार्बन फोम के वजन ले लेना चाहिए सक्रियण समय। ऊपर वर्णित सक्रियण प्रक्रिया से ठेठ पैदावार शुरू होने वाले कार्बन फोम के वजन के आधार पर, 25% -30% सीए थे।

जलकर तापमान भी सामग्री ट्यूनिंग के लिए अवसर प्रदान करता है। विद्युत चालकता वृद्धिनाटकीय रूप से 800 डिग्री सेल्सियस आरएफ के लिए सामग्री आधारित है। 1,500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर जलकर तापमान पर, GMAs सतह क्षेत्र खोना और ग्राफीन शीट में कम दोष के साथ, और अधिक काले सीसे हो जाते हैं।

ऊपर वर्णित सामग्री संश्लेषण में लचीलेपन के विपरीत, हम लंबे समय तक anthraquinone, वृद्धि की एकाग्रता के साथ जीएमए सामग्री functionalizing और जब गुना ज्यादा ए.क्यू लोडिंग में परिणाम नहीं था सोख पाया। इस जीएमए सब्सट्रेट के साथ पहली बार कमी स्थिर वान डर वाल्स बातचीत से परे परतों के साथ, मोटे तौर पर monolayer ए.क्यू कवरेज के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

सिंथेटिक प्रोटोकॉल के भविष्य अनुप्रयोगों बैटरी इलेक्ट्रोड macroporosity को परिभाषित करने और उदाहरण के लिए, में जन परिवहन का अनुकूलन, प्रवाह करने के लिए सामग्री के निर्माण में बलि टेम्पलेट्स को शामिल यहाँ शामिल वर्णन किया। ^18,19 वर्क आरएफ तैयार करने और उन्नत विनिर्माण के साथ संगतता के लिए अग्रदूत समाधान जाने के लिए भी काम चल रहा है (3 डीइस तरह के प्रत्यक्ष स्याही लिखने और प्रक्षेपण microstereo लिथोग्राफी के रूप में मुद्रण) तकनीक। ²⁰ अन्त में, हम 3 डी graphene के मचानों पर आधारित उपन्यास मिश्रित सामग्री विकसित करने के लिए जारी कर रहे हैं। 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

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References

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Engineering

संश्लेषण और 3 डी नैनो के graphene सामग्री की functionalization: ग्राफीन Aerogels और ग्राफीन मैक्रो विधानसभाओं

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