Waiting
Login processing...

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

Engineering

Syntes och Funktion av 3D Nano-grafen Material: Grafen aerogel och Grafenmakro församlingar

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

Abstract

Arbetet med att montera grafen i tredimensionella monolitiska strukturer har hindrats av de höga kostnaderna och dålig bearbetbarhet av grafen. Dessutom rapporterade de flesta grafenheter hålls samman genom fysiska interaktioner (t.ex. van der Waals krafter) snarare än kemiska bindningar, som begränsar deras hållfasthet och ledningsförmåga. Denna metod detaljer video nyligen utvecklat strategier för att fabricera massproducer, grafenbaserade bulkmaterial som härrör från antingen polymerskum eller enda lager grafenoxid. Dessa material består huvudsakligen av enskilda grafen ark anslutna via kovalent bundna kol-länkar. De hävdar de gynnsamma egenskaperna hos grafen såsom hög yta och hög elektrisk och värmeledningsförmåga, i kombination med avstämbara por morfologi och exceptionell mekanisk styrka och elasticitet. Denna flexibla syntesmetod kan utsträckas till framställning av polymer / Nanorör (CNT) ettd polymer / grafen oxid (GO) kompositmaterial. Vidare är ytterligare post syntetisk funktionalisering med antrakinon beskrivs, som möjliggör en dramatisk ökning i laddningslagrings prestanda i superkondensatorapplikationer.

Introduction

Eftersom isoleringen av grafen 2004, har ett intresse av att utnyttja sina unika egenskaper har lett till intensiv insats riktad mot montering grafen i tredimensionella, monolitiska strukturer som bibehåller egenskaperna hos enskilda grafen ark. 2-5 Dessa ansträngningar har hindrats av faktum att grafen i sig är dyrt och tidskrävande att producera och tenderar att aggregera i lösning, vilket begränsar skalbarheten material baserade på grafen byggblock. Dessutom är grafen aggregat typiskt av fysikaliska tvärbindande interaktioner (t.ex. van der Walls krafter) mellan de enskilda grafen ark, som är mycket mindre ledande och mekaniskt robust än kemisk bindning tvärbindningar. Lawrence Livermore National Laboratory har varit engagerad i utvecklingen av nya porösa, kolmaterial låg densitet sedan 1980-talet. 6 Flera strategier har identifierats att tillverka mass producible grafenbaserade monolitiska bulkmaterial från både lågpris polymer härrörande kolskum, som kallas grafen aerogel (gas), 7 samt genom direkt tvärbindning av grafenoxid (GO) ark, som kallas grafen makro- församlingar (GMAs). 8,9 Dessa ultrahög yta bulkmaterial har höga elektriska och termiska ledningsförmåga, exceptionell mekanisk styrka och elasticitet, och avstämbara porer morfologier. GA och GMAs har funnit användning i ett stort antal applikationer, inklusive elektrodmaterial i superkondensatorer och uppladdningsbara batterier, avancerad katalysatorbärare, adsorbenter, värmeisolering, sensorer och avsaltning. 10

Syntesen av grafen aerogeler börjar med sol-gel-polymerisation av en vattenlösning av resorcinol och formaldehyd för att generera mycket tvärbundna organiska geler. Dessa geler tvättas med vatten och aceton och torkades därefter med användning av superkritisk CO2 och pyrolyseras i en i:nert atmosfär för att ge kol-aerogeler med relativt låg ytarea och porvolym. Carbon aerogeler aktiveras genom kontrollerad borttagning av kolatomer under milda oxiderande tillstånd (t ex CO 2) för att bilda ett tvärbundet material som består av både amorft kol och grafit nanoplatelets, med högre ytarea och öppna porer morfologi. 7 En unik fördel med sol-gel-syntesen är att gas kan tillverkas i en mängd olika former, innefattande monoliter och tunna filmer, beroende på behoven av applikationen. Kolnanorör 11 och / eller grafen ark 12 kan integreras i gas genom att ta med dessa tillsatser i sol-gel-prekursorlösningen. Detta genererar sammansatta strukturer i vilka tillsatsmedlet blir en del av det primärt kol nätstruktur. Dessutom kan ramen GA funktionaliseras efter karbonisering / aktivering antingen genom modifiering av aerogel ytan eller genom avsättning av material,till exempel katalysator nanopartiklar, på stommen. 13

Grafen makro heter (GMAs) framställs genom direkt tvärbindning suspenderades grafenoxid (GO) ark, att dra nytta av deras inneboende kemisk funktionalitet. 9 GO blad innehåller en mängd olika funktionella grupper, inklusive epoxid och hydroxid grupper, som kan fungera som kemiska tvärbindningsställen. Liksom i GA preparatet, monterade GMAs är supercritically torkas för att bevara det porösa nätverket, sedan pyrolyserade för att minska den kemiska tvärbindningarna till ledande kol broar som ger strukturellt stöd för montering. På grund av de kovalenta kol broar mellan grafen ark, GMAs har elektrisk ledningsförmåga och mekanisk styvhet som är tiopotenser högre än grafen heter bildas med fysisk tvärbindning. Dessutom, GMAs har ytor närmar sig teoretiska värdet av ett enda grafen ark. Post-syntetiskt värme treatment vid förhöjda temperaturer (> 1050 ° C) kan avsevärt förbättra kristalliniteten hos GMAs, vilket leder till ännu högre konduktiviteter och Youngs moduler samt bättre termisk oxidationsbeständighet. 14 Post-syntetisk kemisk behandling av GMAs med redoxaktiva organiska molekyler såsom antrakinon kan förbättra laddningslagringskapaciteten i superkondensatorapplikationer. 15

De avstämbara materialegenskaper av gas och GMAs är delvis. 16 Denna detaljerade video protokoll syftar ett resultat av noggrant varierande syntetiska tillstånd såsom reagens och katalysatorkoncentrationer, härdningstid och temperatur, torkningsbetingelser och karbonisering / aktiveringsprocesser för att lösa tvetydigheter i de publicerade metoderna, och att vägleda forskare försöker reproducera material och förhållanden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Resorcinol-formaldehyd (RF) Härledd Grafen Aerogeler

  1. Na 2 CO 3 katalyserade kol aerogel (11% fasta ämnen, CRF)
    1. I en 40 ml scintillationsflaska, tillsätt avjoniserat vatten (7,1 ml) till resorcinol (0,625 g, 5,68 mmol) och blanda på en vortex under 1 min. Krossa stora resorcinol bitar till pulver med hjälp av en mortel och mortelstöt före vattentillsättning. Observera att de inte helt kan upplösas till nästa steg.
    2. Lägg 37% -ig formaldehydlösning (0,900 g, 11,4 mmol) till resorcinol uppslamningen och vortexblanda i 1 minut.
    3. Lägg natriumkarbonat (0,003 g, 0,028 mmol) till reaktionsblandningen och vortexblanda i 1 minut.
    4. Överför reaktionsblandningen till glasformar som kan förseglas lufttätt (t ex ampull eller glasskivor som är separerade med en silikonpackning), som definierar formen av den resulterande fasta delen.
    5. Placera de förseglade formarna i en 80 ° C ugn och härda i 72 timmar.
    6. Efter härdning, avlägsna solid monoliter från glasformen och tvättning med vatten för avlägsnande av kvarvarande oreagerade utgångsmaterial och katalysator. Normalt utför vi 3 x 12 hr tvättar med färsk DI H2O Materialet är nu färdigt för torkning.
  2. Ättiksyra katalyserad kol aerogel (AARF) 17
    1. I en 40 ml scintillationsflaska, tillsätt avjoniserat vatten (15 ml) till resorcinol (12,3 g, 0,112 mol) och blanda på en vortex under 1 min. Krossa stora resorcinol bitar till pulver med hjälp av en mortel och mortelstöt före vattentillsättning. Observera att de inte helt kan upplösas till nästa steg.
    2. Lägg 37% -ig formaldehydlösning (17,9 g, 0,224 mol) till resorcinol uppslamningen och vortexblanda i 1 minut.
    3. Lägg isättika (0,44 g, 0,007 mol) till reaktionsblandningen och vortexblanda i 1 minut.
    4. Överför reaktionsblandningen till glasformar som kan förseglas lufttätt (t ex ampull eller glasskivor som är separerade med en silikonpackning), vilka definierar formen hos Resulting fast del.
    5. Placera de förseglade formarna i en 80 ° C ugn och härda i 72 timmar.
    6. Efter härdning, avlägsna de fasta monoliterna från glasformen och tvätta med vatten för att avlägsna kvarvarande oreagerade utgångsmaterial och katalysator. Normalt utför vi 3 x 12 hr tvättar med färsk DI H2O Materialet är nu färdigt för torkning.
  3. Carbon Tillsatser till RF prekursorlösningen (CNT, GO)
    1. Nanorör / RF komposit 11
      1. Suspendera 1 vikt-% enkelväggiga kol nanotuber i avjoniserat vatten och grundligt dispergera med användning av ett ultraljudbad (ljud effekt 90 W, frekvens 40 kHz).
      2. Lägg resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehyd (1,791 g, 22,1 mmol) och natriumkarbonat-katalysator (5,95 mg, 0,056 mmol) för 1,5 g av CNT dispersionen.
      3. Överför reaktionsblandningen till glasformar som kan förseglas lufttätt (t ex flaska eller glasskivor som är separerade med en silikonpackning), som define formen på den resulterande fasta delen.
      4. Placera de förseglade formarna i en 80 ° C ugn och härda i 72 timmar.
      5. Efter härdning, avlägsna de fasta monoliterna från glasformen och tvätta med vatten för att avlägsna kvarvarande oreagerade utgångsmaterial och katalysator. Normalt utför 3 x 12 hr tvättar med färsk DI H2O Materialet är nu färdigt för torkning.
    2. Grafenoxid / RF komposit 12
      1. Suspendera 1 vikt% grafenoxid (GO, 300-800 nm diameter) i avjoniserat vatten och grundligt dispergera med användning av ett ultraljudbad (ljud effekt 90 W, frekvens 40 kHz).
      2. Lägg resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehyd (1,791 g, 22,1 mmol, 37% lösning) och natriumkarbonat-katalysator (5,95 mg, 0,056 mmol) för 1,5 g av GO dispersionen.
      3. Överför reaktionsblandningen till glasformar som kan förseglas lufttätt (t ex ampull eller glasskivor som är separerade med en silikonpackning), som definierar formen av denresulterande fasta delen.
      4. Placera de förseglade formarna i en 80 ° C ugn och härda i 72 timmar.
      5. Efter härdning, avlägsna de fasta monoliterna från glasformen och tvätta med vatten för att avlägsna kvarvarande oreagerade utgångsmaterial och katalysator. Normalt utför 3 x 12 hr tvättar med färsk DI H2O Materialet är nu färdigt för torkning.
  4. Torkning
    1. Superkritisk CO2
      1. Förbered tvättade prover för torkning med superkritisk CO2 genom utbyte av H 2 O lösningsmedel med aceton. Ta prov från vattenbadet och placera i bad med rent aceton. Ersätt med färsk aceton två gånger med 12 timmars intervall.
      2. Last aceton-utbytte prov till en överkritisk torkanordning, fylld med aceton och med cirkulerande kylvätska vid 12-15 ° C.
      3. Täta kritisk torktumlare och utbyte med flytande CO2 tills inga aceton återstår (4-24 timmar beroende on urvalsstorlek, densitet, por morfologi, etc.).
      4. Stäng av CO 2 tillförsel och höja temperaturen hos cirkulerande kylmedel till 55 ° C, under bibehållande av trycket i den överkritiska tork mellan 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Håll vid 55 ° C under 1 timme.
      5. Långsamt vent CO 2 (2-12 h) under upprätthållande av temperaturen hos cirkulerande kylmedel vid 55 ° C. Ta prover.
    2. Omgivnings torkning (xerogel)
      1. Förbered tvättade prover för torkning under omgivningsbetingelser genom utbyte av H 2 O lösningsmedel med aceton. Ta prov från vattenbadet och placera i bad med rent aceton. Ersätt med färsk aceton två gånger med 12 timmars intervall.
      2. Placera aceton utbytte prov på en ren yta (t.ex. teflon block). Att bromsa hastigheten för lösningsmedelsförångning för att förhindra sprickbildning och ojämn krympning, täck över provet med en inverterad bägare med tillräcklig volym för att ge gott om heaDSpace.
      3. Låt lösningsmedlet avdunsta för (24-72 timmar).
  5. Förkolning
    1. Utför karbonisering av de torkade skummen vid 1050 ° C under N2-atmosfär. Ramp från RT vid en hastighet av 5 ° C / min, och håll vid 1050 ° C under 3 h. Observera att tunna prov kan behöva placeras mellan två ark av grafit papper (eller annan temperatur stabilt, icke-reaktivt material) med vikt på toppen för att förhindra curling och "potatischipping."
  6. Aktivering
    1. Aktivera ett AARF kolskum del (2 cm x 3 cm x 4 mm, 1,2 g) för att generera 3D nanographene (3D-NG) under strömmande CO 2 (10 sccm) vid 950 ° C under 5 h. 7

2. Grafen Oxid Derived Grafen Makro Assemblies

  1. NH4OH katalyserad GO aggregatet
    1. I en 40 ml scintillationsflaska, tillsätt avjoniserat vatten (20 ml) till 400 mg enda skikt grafen oxide (GO, 300-800 nm diameter). Noggrant skingra att använda ett ultraljudbad (ljud effekt 90 W, frekvens 40 kHz) O / N.
    2. Lägg koncentrerad NH4OH-lösning (0,211 ml per g GO suspension).
    3. Överför i glasformar som kan förseglas lufttätt (t ex ampull eller glasskivor som är separerade med en silikonpackning som definierar formen av den resulterande fasta delen).
    4. Placera de förseglade formarna i en 80 ° C ugn och härda i 72 timmar.
    5. Efter härdning, avlägsna de fasta monoliterna från glasformen och tvätta med vatten för att avlägsna kvarvarande oreagerade utgångsmaterial och katalysator. Normalt utför 3 x 12 hr tvättar med färsk DI H2O Materialet är nu färdigt för torkning.
  2. Torkning
    1. Superkritisk CO2
      1. Förbered tvättade prover för torkning med superkritisk CO2 genom utbyte av H 2 O lösningsmedel med aceton. Ta prov från vattenbadet och placera i bad containing ren aceton. Ersätt med färsk aceton två gånger med 12 timmars intervall.
      2. Last aceton-utbytte prov till en överkritisk torkanordning, fylld med aceton och med cirkulerande kylvätska vid 12-15 ° C.
      3. Täta kritisk torktumlare och utbyte med flytande CO2 tills inga aceton återstår (4-24 h beroende på provstorlek, densitet, por morfologi, etc.). Fullständigt utbyte indikeras av upphörande av aceton droppar vid avgasventilen hos den superkritiska torken.
      4. Stäng av CO 2 tillförsel och höja temperaturen hos cirkulerande kylmedel till 55 ° C, under bibehållande av trycket i den överkritiska tork mellan 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Håll vid 55 ° C under 1 timme.
      5. Långsamt vent CO 2 (2-12 h) under upprätthållande av temperaturen hos cirkulerande kylmedel vid 55 ° C. Ta prover.
    2. Omgivnings torkning (xerogel)
      Observera att tunna prov kan behöva placeras mellantvå skivor av teflon (eller annan non-stick material) med vikt på toppen för att förhindra curling och "potatischipping."
      1. Förbered tvättade prover för torkning under omgivningsbetingelser genom utbyte av H 2 O lösningsmedel med aceton. Ta prov från vattenbadet och placera i bad med rent aceton. Ersätt med färsk aceton två gånger med 12 timmars intervall.
      2. Placera aceton utbytte prov på en ren yta (t.ex. teflon block). Att bromsa hastigheten för lösningsmedelsförångning för att förhindra sprickbildning och ojämn krympning, täck över provet med en inverterad bägare med tillräcklig volym för att ge gott om headspace.
      3. Låt lösningsmedlet avdunsta för (24-72 timmar).
  3. Förkolning
    1. Utför karbonisering av de torkade skummen vid 1050 ° C under N2-atmosfär. Ramp från RT vid en hastighet av 5 ° C / min, och håll vid 1050 ° C under 3 h. Observera att tunna prov kan behöva placeras bindexets två ark av grafit papper (eller annan temperatur stabilt, icke-reaktivt material) med vikt på toppen för att förhindra curling och "potatischipping."
    2. Termisk glödgning för högkristallint GMA. Utför ytterligare termisk glödgning av förkolnade skum vid temperaturer upp till 2500 ° C under Han atmosfär. Ramp från RT med en hastighet av 100 ° C / minut, och håll vid förhöjd temperatur under en timme.
  4. Post-pyrolys funktionalisering
    1. Icke-kovalent antrakinon funktionalisering (AQ-GMA)
      1. Förbered en 3 mM lösning av antrakinon (AQ) i torr EtOH. Värm i en förseglad medicinflaska vid 75 ° C för att säkerställa fullständig upplösning.
      2. Tillsätt hett AQ lösning på GMA prov (~ 2 ml / mg prov). Blötlägg i en förseglad kolv under 2 timmar vid 75 ° C.
      3. Ta bort överflödig AQ lösning från flaskan och låt provet torka vid 75 ° CO / N (flaska cap off).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Utvecklingen av materialsammansättning och morfologi under tillverkning kan spåras på olika sätt innefattande röntgendiffraktion, Raman och NMR-spektroskopi, elektronmikroskopi, och porosimetri. Exempelvis i syntesen, pyrolys, och CO 2 aktivering av gas, var omvandlingen följt av röntgendiffraktion (XRD) (figur 1E). Frånvaron av staplingen relaterade (002) diffraktionstopp i röntgendiffraktionsmönstret efter aktivering (blå spår) indikerar övergången från en struktur innehållande grafit nanoplatelets till en bestående av ett lager grafen. Svepelektronmikroskopi (SEM) och högupplösande transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) avslöjade korta, linjära funktioner, som kunde identifieras som individuella grafen ark tittade kant på (Figur 1C och D). Raman funktioner för GA liknar de som observerats för kommersiella grafen prover odlas genom kemisk ångavsättning (Figur 1F). Halvledar kämmagnetisk resonans (NMR) användes för att följa omvandlingen av GO in GMA (Figur 2), 9, som visar att den signifikanta epoxid och hydroxylfunktionalitet (toppar mellan 50 och 75 ppm), såväl som karbonylgrupper (168 ppm ) i dess 13 C-NMR-spektrum är praktiskt taget elimineras efter härdning, och en alifatisk kol topp (26 ppm) visas, vilket antyder att epoxid- och hydroxylgrupper är involverade i tvärbindningsmekanism. Efter pyrolys / förkolning endast sp 2 kol topp rester och ett H-NMR-spektrum (figur 2B) visar också elimineringen av-CH 2 - och -CH 2 O- enheter tyder på att tvärbindningarna sp3 carbon term omvandlades till ledande sp 2 kol korsningar. GMA mikroanalyserades med SEM och verkar liknar den som rapporterats i andra grafen heter (Figur 3 visas i figur 4A är typ IV, som anger ett mesoporöst material. Post syntetisk modifiering av GMA med antrakinon karakteriserades genom termogravimetrisk analys (TGA), med representativa isotermer som presenteras i figurerna 5B och C. Derivaten av massförlustkurvor visar toppar vid olika temperaturer för AQ-GMA och bulk AQ på grund av adsorption av AQ-molekylen på kolsubstratet. Elektro karakterisering ingår cyklisk voltametri (CV), som visar att AQ adsorption på GMA elektroden produceras reversibel och stabil faradisk laddningslagrings (figur 6A).

Figur 1
Figur 1. Bearbetning och arkitekturen i 3D-NG (GA). (A) Schematisk bild av den polymerbaseradetop-down-strategi. (B) Illustration av den mekaniska robusthet av en centimeterstor 3D-NG prov. (C) Öppna makroporöst nätverksarkitektur som består av mikrometerstora porer och ligament. (D) Intern struktur av ligament består av böjda och sammanflätade grafen ark. Utvalda dubbla lager regioner präglas av ovaler, och en typisk intensitetsprofil över en sådan dubbla lager regionen visas till vänster. (E) röntgendiffraktion uppgifter som bekräftar att omvandlingen av den ursprungliga flerskikts grafen komponent till en som domineras av enkelskikts grafen. (F) Jämförelse av Raman spektra i D / G-bandet region från 3D-NG och flerlager grafen. Denna siffra har modifierats Ref. 7. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

tunn-page = "always"> Figur 2
Figur 2. NMR karaktärisering under GMA montering och termisk bearbetning. (A) 13 C NMR-spektra för GO pulver, GO efter inledande gelning, och 3D-grafen macroassembly. (B) en H-NMR-spektra för GMA före och efter termisk utlöpning. Denna siffra har modifierats Ref. 9. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. FE-SEM-bilder av brottytan på den 3D grafen macroassembly. (A) låg förstoring. (B) Hög förstoring. Denna siffra har modifierats Ref. 9.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Por morfologi GMAs. (A) Kväve adsorption / desorptionsisotermen. (B) porstorleksfördelning. Denna siffra har modifierats Ref. 9. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. Syntes och karaktärisering av AQ-GMAs. (A) Syntetisk förfarande och schematisk illustration av icke-kovalent AQ funktionalisering av GMA elektroder. (B (C) TGA-kurvan för bulk AQ (Ar flöde 10 ml min -1, 10 ° C min -1 temperatur ramp). Derivatmasskurvor förlust (streckade linjer) visar toppar vid olika temperaturer för AQ-GMA vs bulk AQ. En högre temperatur av mer än 60 ° C indikerar adsorption av AQ molekyler på kolsubstratet. Denna siffra har modifierats Ref. 15. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6
Figur 6. Elektro karakterisering av AQ-GMAs. (A) cykliskt voltammogram (2 mV sek -1, 1 M HCI) för 250 mm tjocka GMA-skivor, som framställts (fast line), och med 12,4 vikt% AQ lastning (streckad linje). (B) CV av samma 12,4 vikt% AQ-GMA provet vid olika potentiella svep priser. Den infällda tomten visar att AQ bidrag för att ladda lagringskapaciteten förblir konstant tills> 60 mV s -1, där lösningen motstånd orsakar så stora overpotentials som AQ inte fullt ut kan ta ut i den pålagda spänningen fönstret. (Kapacitetsvärden härleddes genom att integrera utsläpp topp i samband med AQ och subtrahera underliggande kapacitet GMA.) Denna siffra har modifierats Ref. 15. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det är viktigt att notera att de förfaranden som beskrivs här är endast exempel. Många justeringar är möjliga att ställa in material för en viss tillämpning. Exempelvis variering av utgångsmaterial koncentrationer, samtidigt som resorcinol / formaldehyd (RF) förhållandet konstant, kan ha en inverkan på den slutliga materialtäthet. Katalysator belastning kan förändra porstorlek morfologi, såsom en högre belastning i RF förfarande leder till mindre primärpartiklar och vice versa. Aktiveringstid kan spela en roll som väl; vid kortare aktiveringstider, är ny porositet genereras i form av mikroporer medan längre aktiveringstider mikroporer breddas till storlekar som korsar mikroporen-mesopor gränsen 15 Dessutom aktiveringstiden måste ta hänsyn till vikten av utgångs kolskum. typiska utbyten från aktiveringsprocessen som beskrivits ovan var ca 25% -30%, baserat på vikten av utgångs kolskum.

Förkolning temperatur ger också möjligheter för material tuning. Elektrisk ökning ledningsförmågas dramatiskt över 800 ° C under RF-baserade material. Vid förkolning temperaturer över 1500 ° C, GMAs förlorar ytan och blir mer grafit, med färre fel i grafen ark.

I motsats till flexibilitet i materialsyntes som beskrivits ovan, fann vi att när funktionalisering av GMA material med antrakinon, ökad koncentration och längre utsättningstider resulterade inte i högre AQ belastning. Detta kan tillskrivas ungefär mono AQ täckning, med lager utanför de första saknar stabiliserande van der Waals interaktioner med GMA substratet.

Framtida tillämpningar av syntetiska protokoll som beskrivs här inkluderar införliva offer mallar i material tillverkning för att definiera makroporositet och optimera masstransport i exempelvis flödesbatterielektroder. 18,19 Arbete pågår också för att formulera RF och GO prekursorlösningar för kompatibilitet med avancerad tillverkning (3Dutskrift) tekniker såsom direkt bläck skriva och projektions microstereo litografi. 20 Slutligen, vi fortsätter att utveckla nya kompositmaterial baserade på 3D-grafen ställningar. 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 Grafen sol-gel aerogel Nanorör supercapacitor batteri elektrod låg densitet hög yta
Syntes och Funktion av 3D Nano-grafen Material: Grafen aerogel och Grafenmakro församlingar
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