Abstract
Üç boyutlu monolitik yapılara grafen monte yönelik çabalar yüksek maliyet ve grafen kötü işlenebilirliği tarafından engellenmiştir. Buna ek olarak, en graphene düzenekleri birlikte mekanik mukavemet ve iletimin sınırlandırılması fiziksel etkileşim (örneğin, van der Waals kuvvetleri) yerine kimyasal bağlar aracılığı ile tutulan bildirdi. Bu video yöntemi detayları yakın zamanda polimer köpükler ya da tek katmanlı grafen oksit ya türetilen toplu üretilebilir, grafen temelli dökme malzeme imal stratejiler geliştirilmiştir. Bu malzemeler öncelikle kovalent bağlı karbon bağlayıcılar ile bağlı bireysel grafen yaprak oluşur. Bunlar ayarlanabilir gözenek morfolojisi ve olağanüstü mekanik mukavemet ve esneklik ile birlikte yüksek yüzey alanı ve yüksek elektrik ve ısı iletkenliği gibi grafen olumlu özelliklerini korumak. Bu esnek bir sentetik yöntem, bir polimer / karbon nanotüp (CNT) Bir üretiminde uzatılabilird polimer / grafen oksit (GO) kompozit malzemeler. Bundan başka, antrakinon ek sentez sonrasında fonksiyonelleştirme süperkapasitör uygulamalarda yük depolama performansında büyük bir artış sağlayan, tarif edilmektedir.
Introduction
2004 yılında grafen izolasyonu yana, eşsiz özelliklerini sokmak 1 faiz bireysel grafen tabakalarının özelliklerini muhafaza üç boyutlu, monolitik yapılara montaj grafen yönlendirilir yoğun çaba yol açmıştır. 2-5 Bu çabalar engel olan grafin kendisi pahalı ve zaman alıcı bir üretim ve graphene yapı blokları göre malzemelerin ölçeklenebilirlik sınırlar çözeltisi, agrega eğilimi olması. Buna ek olarak, graphene düzenekleri tipik olarak daha az iletken ve kimyasal bir bağ çapraz bağlantıları daha mekanik olarak kuvvetli olan münferit grafin levhalar arasında fiziksel çapraz bağlanma etkileşimleri (örneğin, van der Walls kuvvetleri) oluşur. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı 1980'lerden beri yeni gözenekli, düşük yoğunluklu karbon malzemelerin geliştirilmesi yer almıştır. 6 Çeşitli stratejiler kitle süreden imal etmek tespit edilmiştirgraphene makro olarak adlandırılır (GO) levhalar, grafin aerojel olarak adlandırılır düşük bir polimer türetilmiş C-köpükler, (GA), 7 her iki yanı sıra grafin oksit, doğrudan çapraz bağlanma ile karışmayan grafin bazlı monolitik dökme malzeme derlemeler (GMAs). 8,9 Bu ultra yüzey alanı Kayrak malzemelerin yüksek elektrik ve ısı iletkenlikleri, olağanüstü mekanik mukavemet ve elastikiyet ve ayarlanabilir gözenek morfolojileri var. GAs ve GMAs elektrot supercapacitors malzeme ve şarj edilebilir piller, gelişmiş katalizör destekler Adsorbanların, ısı yalıtımı, sensörler ve Tuzluluğu giderme de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda yarar bulduk. 10
Grafin aerojellerin sentezi yüksek düzeyde çapraz bağlanmış bir organik jeller oluşturmak için resorsinol ve formaldehitin bir sulu çözeltisi, sol-jel polimerizasyon başlar. Bu jeller, bir i sonra süperkritik CO2 kullanılarak kurutuldu, su ve aseton ile yıkanmış ve pirolize edilirnert atmosferi nispeten düşük bir yüzey alanı ve gözenek hacmi ile C-aerojel elde edilmiştir. Karbon aerojeller (CO2 gibi) daha yüksek bir yüzey alanı ve açık gözenekli morfolojisinin hem amorf karbon ve grafit nanoplatelets oluşan bir çapraz-bağlanmış bir malzeme oluşturmak üzere, hafif oksitleyici şartlar altında karbon atomuna kontrollü uzaklaştırılmasıyla aktive edilir. 7 benzersiz bir avantajı Sol-jel sentez gazı uygulama gereksinimlerine bağlı olarak, form dahil olmak üzere yekpare ince filmlerin çeşitli imal edilebilir olmasıdır. Karbon nanotüpleri 11 ve / veya graphene yaprak 12, sol-jel çözeltisi içinde ön-madde, bu katkı maddeleri de dahil olmak üzere, gaz entegre edilebilir. Bu katkı maddesi birincil karbon ağ yapısının bir parçası haline gelir kompozit yapılar oluşturur. Buna ek olarak, GA çerçeve karbonizasyon / aktivasyon da sonra aerojel yüzeyinin değiştirilmesi yoluyla veya malzeme birikimi yoluyla fonksiyonalize edilebilirÖrneğin katalizör çerçeve yapısı üzerine, nanopartiküller. 13
Grafen makro düzenekleri (GMAs) hazırlanır, doğrudan çapraz bağlama süspanse graphene oksit (GO) levhalar, kendilerine has kimyasal işlevsellik yararlanarak. 9 GO yaprak olarak görev yapabilir ve epoksit hidroksit yarımlar dahil olmak üzere fonksiyonel gruplar, çeşitli içeren Kimyasal çapraz bağlama siteleri. GA hazırlanmasında olduğu gibi, daha sonra montajı için yapısal destek sağlayan iletken karbon köprüler halinde kimyasal çapraz bağlantıları azaltmak için pirolize, GMAs süperkritik gözenekli bir şebekesini korumak için kurutulur toplandı. Nedeniyle grafen levhalar arasında kovalent karbon köprülerine, GMAs fiziksel çapraz bağlama ile oluşturulan grafen meclisleri daha yüksek büyüklükte siparişleri elektrik iletkenlikleri ve mekanik sertliği var. Buna ek olarak, GMAs tek grafin tabakanın teorik değere yaklaşan yüzey alanlarına sahiptir. Post-sentetik termal tyüksek sıcaklıklarda (> 1050 ° C) önemli ölçüde daha da yüksek iletkenlik ve Young modülüne ve daha iyi bir termal oksidasyon direnci gelen, GMAs kristalliğini artırabilir. gibi redoks-aktif organik moleküllerle GMAs 14 Post-sentetik kimyasal işleme de reatment antrakinon süperkapasitör uygulamalarında yük depolama kapasitesini artırabilirsiniz. 15
GAs ve GMAs ve ayarlanabilir malzeme özellikleri kısmen, bu tür reaktif ve katalizör konsantrasyonları, tedavi süresi ve sıcaklık, kurutma koşulları ve karbonizasyon / aktivasyon işlemleri olarak dikkatle değişen sentetik koşulların bir sonucu. 16 Bu ayrıntılı video protokol belirsizlikleri gidermek amacı vardır yayınlanan yöntemleri ve materyalleri ve koşulları yeniden deneyen araştırmacılar rehberlik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Resorsinol-formaldehit (RF) Türetilmiş Grafen Aerogels
- Na 2 CO 3 karbon aerojeli katalize (% 11 katı, CRF)
- Bir 40 mL sintilasyon şişesine, resorsinol (0.625 g, 5.68 mmol), iyonu giderilmiş su (7.1 mi) ilave edin ve 1 dakika süre ile bir girdap karıştırın. Su ilave edilmeden önce bir havan ve havan tokmağı kullanılarak toz büyük parçalar resorsinol ezmek. Tamamen bir sonraki adıma kadar çözülmez unutmayın.
- 1 dakika süre ile rezorsinol harç ve vorteks% 37 formaldehid solüsyonu (0.900 g, 11.4 mmol) ilave edilir.
- 1 dakika boyunca reaksiyon karışımına ve vorteks sodyum karbonat (0,003 g, 0,028 mmol) ilave edilir.
- Hava sızdırmaz şekilde kapalı olabilir Cam kalıp, reaksiyon karışımı aktarın (örneğin, bir silikon conta ile ayrılmış olan şişe veya cam slaytlar) elde edilen katı, parçanın şeklini tanımlar.
- 80 ° C fırına mühürlü kalıpları yerleştirin ve 72 saat tedavi.
- Kür sonra, sol kaldırmaksu ile dolu cam kalıp ve yıkamadan id yekpare bir artık reaksiyona girmemiş başlangıç malzemeleri ve katalizörü ayırmak üzere. Genellikle taze DI H2O ile 3 x 12 saat yıkama gerçekleştirmek Malzeme artık kurutma için hazır hale gelir.
- Asetik asit, karbon aerojeli (AARF) 17 katalize
- Bir 40 mL sintilasyon şişesine, resorsinol iyondan arındırılmış su (15 mi) ekleyin (12.3 g, 0.112 mol) ve 1 dakika süre ile bir girdap karıştırın. Su ilave edilmeden önce bir havan ve havan tokmağı kullanılarak toz büyük parçalar resorsinol ezmek. Tamamen bir sonraki adıma kadar çözülmez unutmayın.
- 1 dakika süre ile rezorsinol harç ve vorteks% 37 formaldehid solüsyonu (17.9 g, 0.224 mol) ilave edin.
- 1 dakika boyunca reaksiyon karışımına ve vorteks buzlu asetik asit (0.44 g, 0.007 mol) ilave edin.
- Hava sıkı kapalı olabilir, cam kalıplara reaksiyon karışımı aktarın (örneğin, şişe veya silikon conta ile ayrılır cam slaytlar) resu şeklini tanımlar,Katı bölümünü sonuçtaki.
- 80 ° C fırına mühürlü kalıpları yerleştirin ve 72 saat tedavi.
- Sertleştirme sonrası, cam kalıbın katı yekpare kaldırmak ve geri kalan reaksiyona girmemiş başlangıç materyalleri ve katalizörü ayırmak üzere su ile yıkayın. Genellikle taze DI H2O ile 3 x 12 saat yıkama gerçekleştirmek Malzeme artık kurutma için hazır hale gelir.
- RF habercisi çözüm Karbon Katkı (CNT, GO)
- Karbon nanotüp / RF kompozit 11
- Deiyonize su içinde ağırlıkça% 1 tek duvarlı karbon nano-tüpler Askıya ve iyice ultrasonik banyo (sonik güç 90 W, frekansı 40 kHz) kullanarak dağıtmak.
- CNT dispersiyonun 1.5 g rezorsinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehit (1.791 g, 22.1 mmol) ve sodyum karbonat katalizörü (5,95 mg, 0,056 mmol) eklenir.
- Hava sıkı kapalı olabilir, cam kalıplara reaksiyon karışımı aktarın (örneğin, bir silikon conta ayrılır flakon veya cam slaytlar), defin hangiElde edilen katı madde, parçanın şeklini e.
- 80 ° C fırına mühürlü kalıpları yerleştirin ve 72 saat tedavi.
- Sertleştirme sonrası, cam kalıbın katı yekpare kaldırmak ve geri kalan reaksiyona girmemiş başlangıç materyalleri ve katalizörü ayırmak üzere su ile yıkayın. Genellikle taze DI H2O ile 3 x 12 saat yıkama gerçekleştirmek Malzeme artık kurutma için hazır hale gelir.
- Kompozit Grafen oksit / RF 12
- Deiyonize su içinde ağırlıkça% 1 grafen oksit (GO, 300-800 nm çapında) Askıya iyice ultrasonik banyo (sonik güç 90 W, frekansı 40 kHz) kullanarak dağıtmak.
- GO dispersiyonun 1.5 g rezorsinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldehit (1.791 g, 22.1 mmol,% 37 çözelti) ve sodyum karbonat katalizörü (5,95 mg, 0,056 mmol) eklenir.
- Hava sıkı kapalı olabilir, cam kalıplara reaksiyon karışımı aktarın (örneğin, şişe veya silikon conta ile ayrılır cam slaytlar) şeklini tanımlarKatı bir parçası elde edilir.
- 80 ° C fırına mühürlü kalıpları yerleştirin ve 72 saat tedavi.
- Sertleştirme sonrası, cam kalıbın katı yekpare kaldırmak ve geri kalan reaksiyona girmemiş başlangıç materyalleri ve katalizörü ayırmak üzere su ile yıkayın. Genellikle taze DI H2O ile 3 x 12 saat yıkama gerçekleştirmek Malzeme artık kurutma için hazır hale gelir.
- Karbon nanotüp / RF kompozit 11
- Kurutma
- Süperkritik CO2
- Aseton ile H 2 O çözücü değiştirerek süper kritik CO2 ile kurutma için yıkanmış örnekleri hazırlayın. Su banyosu numuneyi çıkarın ve temiz bir aseton içeren banyoya yerleştirin. 12 saat aralıklarla taze asetonla iki kez daha değiştirin.
- Yük, bir süper kritik kurutma aparatına örnekleri aseton ile-yer değiştirilmiş, aseton ile 12-15 ° C 'de soğutma suyu sirkülasyonu ile doldurulmuş.
- Hiçbir aseton kalıntıları kadar süperkritik kurutma makinesi ve sıvı CO 2 ile alışverişini Seal (4-24 saat bağlı on örnek büyüklüğü, yoğunluk, gözenek morfolojisi, vb.)
- CO 2 kaynağını kapatın ve 1,200-1,600 psi (80-110 bar) arasında süperkritik kurutma basıncı korurken, 55 ° C dolaşmasını sıcaklığını yükseltmek. 1 saat boyunca 55 ° C'de tutun.
- 55 ° C 'de dolaşımlı soğutma suyunun sıcaklığını muhafaza ederken yavaş yavaş CO 2 (2-12 saat) havalandırma. Örnekleri çıkarın.
- Ortam kurutma (kserojel)
- Aseton ile H2O çözücünün değiştirilmesi ile çevre koşulları altında kurutma için yıkanmış numune hazırlayın. Su banyosu numuneyi çıkarın ve temiz bir aseton içeren banyoya yerleştirin. 12 saat aralıklarla taze asetonla iki kez daha değiştirin.
- Temiz bir yüzey (örneğin, teflon blok) üzerinde aseton alışverişinde örnekleri yerleştirin. Çatlama ve düzensiz daralma önlemek için çözücü buharlaştırma hızını yavaşlatmak için, hea bol sağlamak için yeterli hacimde bir ters çanak ile numuneyi kapakDSpace.
- (24-72 saat) için buharlaşmasına çözücü izin verin.
- Süperkritik CO2
- Kömürleşme
- N2 atmosferi altında 1.050 ° C'de kurutularak köpüklerin karbonizasyon gerçekleştirin. 5 ° C / dk'lık bir oranda oda sıcaklığında rampa ve 3 saat boyunca 1050 ° C'de tutun. İnce örnekler curling ve önlemek için üstüne ağırlığı ile grafit kağıdı (ya da diğer ısı kararlı, reaktif olmayan malzeme) iki yaprak arasına yerleştirilir gerekebilir unutmayın "patates talaşlı."
- Aktivasyon
- Bir AARF C köpük parçası aktive (2 cm x 3 cm x 4 mm, 1.2 g), 5 saat boyunca 950 ° C 'de CO 2 (10 sccm) akışı altında 3D nanographene (3D-NG) oluşturmak üzere. 7
2. Grafen Oksit Türetilmiş Grafen Makro Meclisleri
- NH 4 OH derleme GO katalize
- Bir 40 mL sintilasyon şişesine, 400 mg'lık tek katmanlı graphene OXID iyondan arındırılmış su (20 mi) ilavee (GO, 300-800 nm çapında). İyice bir ultrasonik banyo (sonik güç 90 W, frekansı 40 kHz) O / N kullanarak dağıtmak.
- Konsantre NH4OH çözeltisi (g GO süspansiyon başına 0,211 mi) eklenir.
- Hava geçirmez olabilir, cam kalıplar içine aktarın (örneğin, elde edilen katı, parçanın şeklini tanımlayan bir silikon conta ile ayrılmış olan slaytlar ufak şişe veya cam).
- 80 ° C fırına mühürlü kalıpları yerleştirin ve 72 saat tedavi.
- Sertleştirme sonrası, cam kalıbın katı yekpare kaldırmak ve geri kalan reaksiyona girmemiş başlangıç materyalleri ve katalizörü ayırmak üzere su ile yıkayın. Genellikle taze DI H2O ile 3 x 12 saat yıkama gerçekleştirmek Malzeme artık kurutma için hazır hale gelir.
- Kurutma
- Süperkritik CO2
- Aseton ile H 2 O çözücü değiştirerek süper kritik CO2 ile kurutma için yıkanmış örnekleri hazırlayın. Su banyosu numuneyi çıkarın ve banyo işbirliği içine koyunTemiz aseton ntaining. 12 saat aralıklarla taze asetonla iki kez daha değiştirin.
- Yük, bir süper kritik kurutma aparatına örnekleri aseton ile-yer değiştirilmiş, aseton ile 12-15 ° C 'de soğutma suyu sirkülasyonu ile doldurulmuş.
- (4-24 saat örneklem büyüklüğü, yoğunluk, gözenek morfolojisi, vb bağlı olarak) hiçbir aseton kalıntıları kadar sıvı CO 2 ile süperkritik kurutma makinesi ve değişimi kapatılmalıdır. Komple değişim süperkritik kurutma egzoz valfi aseton damlar kesilmesi ile gösterilir.
- CO 2 kaynağını kapatın ve 1,200-1,600 psi (80-110 bar) arasında süperkritik kurutma basıncı korurken, 55 ° C dolaşmasını sıcaklığını yükseltmek. 1 saat boyunca 55 ° C'de tutun.
- 55 ° C 'de dolaşımlı soğutma suyunun sıcaklığını muhafaza ederken yavaş yavaş CO 2 (2-12 saat) havalandırma. Örnekleri çıkarın.
- Ortam kurutma (kserojel)
İnce örnekleri arasında yerleştirilmesi gerekir unutmayınüstünde ağırlığı ile Teflon (ya da diğer yapışmayan materyal) iki yaprak curling ve önlemek için "patates talaşlı."- Aseton ile H2O çözücünün değiştirilmesi ile çevre koşulları altında kurutma için yıkanmış numune hazırlayın. Su banyosu numuneyi çıkarın ve temiz bir aseton içeren banyoya yerleştirin. 12 saat aralıklarla taze asetonla iki kez daha değiştirin.
- Temiz bir yüzey (örneğin, teflon blok) üzerinde aseton alışverişinde örnekleri yerleştirin. Çatlama ve düzensiz daralma önlemek için çözücü buharlaştırma hızını yavaşlatmak için, headspace bol sağlamak için yeterli hacimde bir ters çanak ile numuneyi kapsar.
- (24-72 saat) için buharlaşmasına çözücü izin verin.
- Süperkritik CO2
- Kömürleşme
- N2 atmosferi altında 1.050 ° C'de kurutularak köpüklerin karbonizasyon gerçekleştirin. 5 ° C / dk'lık bir oranda oda sıcaklığında rampa ve 3 saat boyunca 1050 ° C'de tutun. İnce numuneler b yerleştirilmesi gerekebilir unutmayınüzerine ağırlığı ile grafit kağıdı (veya başka bir sıcaklıkta dengeli, reaktif olmayan malzeme) etween iki tabaka kıvırma ve önlenmesi için "patates kıymıkları."
- Bu durum çok kristalleşmiş GMA için ısı tavlama. O atmosferi altında 2500 ° C'ye kadar olan sıcaklıklarda kömürleşmiş köpüklerin ek termal tavlama gerçekleştirin. 100 ° C / dk'lık bir hızda oda sıcaklığına gelen Rampa ve 1 saat boyunca yüksek bir sıcaklıkta tutma.
- Post-kömürleşme işlevsellik
- Kovalent olmayan antrakinon fonksiyonlandırmalar (AQ-GMA)
- Kuru EtOH'de antrakinon (AQ) içindeki bir 3 mM'lik çözelti hazırlayın. 75 ° C'de ağzı kapalı bir cam şişede ısı tamamen çözünmesi sağlanır.
- GMA örnek sıcak AQ çözeltisi ekleyin (~ 2 mL / numune mg) eklenmiştir. 75 ° C'de 2 saat boyunca ağzı kapalı bir cam şişede bekletin.
- Flakon aşırı AQ çözüm çıkarın ve örnek 75 ° CO de kurumasını bekleyin / N (flakon kapalı kap).
- Kovalent olmayan antrakinon fonksiyonlandırmalar (AQ-GMA)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Üretim sırasında malzeme bileşimi ve morfolojisi evrimi X-ışını kırınımı, Raman ve NMR spektroskopisi, elektron mikroskobu ve porosimetrisi dahil olmak üzere çeşitli şekillerde izlenebilir. Örneğin, gaz sentezi, piroliz ve CO2 aktivasyonu, dönüşüm X-ışını kırınımı (XRD) (Şekil 1 E) izledi. Aktivasyon (mavi iz) sonra, XRD deseni istifleme ile ilişkili (002) kırılma tepe noktası olmaması tek katmanlı grafin oluşan bir grafit nanoplatelets ihtiva eden bir yapıdan geçişi gösterir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) kenar üzerinde (Şekil 1C ve D) inceledi bireysel grafen yaprak olarak tespit edilebilir, kısa, doğrusal özellikleri saptandı. GA için Raman özellikleri, kimyasal buhar biriktirme ile yetiştirilen ticari grafin örnekler ile benzerdir (Şekil 1F). Bu önemli bir epoksit ve hidroksil işlevselliği (50 ve 75 ppm arasında tepe değeri), hem de karbonil grupları (168 ppm ortaya katı hal nükleer manyetik rezonans (NMR) GMA içine GO dönüşümü takip etmek için kullanılmıştır (Şekil 2), 9 ), 13 ° C NMR spektrumunda hemen vulkanizasyondan sonra elimine edilir ve bir alifatik karbon pik (26 ppm), epoksit ve hidroksil grupları çapraz bağlama mekanizmasında yer aldığını göstermektedir belirir. Ve sp3 karbon çapraz bağlar, termal olarak dönüştürülmüş olduğunu ileri süren -CH2-O- kısımları -, piroliz / karbonizasyon sonra yalnızca sp2 karbon pik kalıntıları 1 H N.M.R. tayfı (Şekil 2B), aynı zamanda,-CH2 eleme gösterir iletken sp 2 karbon kavşaklar. GMA mikro Şekil 3 (SEM ile analiz ve diğer grafen meclisleri bildirilen benzer görünür oldu Şekil 4A'da gösterilen, azot porozimetresi adsorpsiyon / desorpsiyon izoterm bir gözenekli malzemenin işareti Tip IV vardır. Antrakinon ile GMA Mesaj sentetik modifikasyon Şekil 5B ve C sunulan temsil izotermleri ile, termogravimetrik analizi (TGA) ile karakterize edildi. Kütle kaybı eğrilerinin türevleri, karbon alt-tabaka üzerinde AQ molekülünün adsorpsiyon AQ-GMA ve dökme AQ için farklı sıcaklıklarda da doruğa göstermektedir. Elektrokimyasal karakterizasyonu GMA elektrot üzerine AQ adsorpsiyon döner ve sabit Faradaysal yük depolama (Şekil 6A) ürettiğini gösterir voltametri (CV), içermektedir.
Şekil 1. işlenmesi ve 3D-NG (GA) mimarisi. Polimer esaslı (A) şematikyukarıdan aşağıya bir yaklaşım. Bir santimetre büyüklüğünde 3D-NG numunenin mekanik sağlamlık (B) İllüstrasyon. (C) mikrometre büyüklüğünde gözenekler ve ligaman Açık makro gözenekli bir ağ mimarisi. (D) kavisli ve iç içe grafen yaprak oluşan ligament iç yapısı. Seçilmiş çift katmanlı bölgeleri oval tarafından işaretlenir ve böyle bir çift katmanlı bölge genelinde tipik bir yoğunluk profili solda gösterilmiştir. (E) X-ışını tek katmanlı grafin hakim olduğu bir başlangıç tabakalı grafin bileşeninin dönüşümünü teyit difraksiyon verileri. 3D-NG ve çoktan tabaka grafin D / G bandı bölgesindeki Raman spektranın (F) karşılaştırması. Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 7. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
İnce sayfa = "always"> 
GMA montaj ve ısıl işlem esnasında Şekil 2. NMR karakterizasyonu. (A) 13 C NMR spektrumları için GO toz, ilk jelleşme sonra GO ve macroassembly 3D grafen. (B) daha önce ve termal tavlama işleminden sonra GMA 1 * H NMR spektrumları. Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 9. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3. macroassembly 3D grafen kırılma yüzeyinin FE-SEM görüntüleri. (A) Düşük büyütme. (B) Yüksek büyütme. Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 9.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53235/53235fig3large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
GMAs Şekil 4. Gözenek morfolojisi. (A) Azot adsorpsiyon / desorpsiyon izotermi. (B) Gözenek boyut dağılımı. Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 9. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 5. sentezi ve AQ-GMAs karakterizasyonu. (A) sentetik prosedürü ve GMA elektrot kovalent olmayan bir AQ işlevsellik şematik gösterimidir. (B (C) Toplu AQ için TGA eğrisi yükleme ile 250 mm kalınlığındaki AQ-GMA diski için) TGA eğrisi (Ar 10 ml dk -1 akış, 10 ° C min -1 sıcaklık ) rampa. Türev kütle kaybı eğrileri (kesik çizgiler) toplu AQ vs AQ-GMA için farklı sıcaklıklarda gösteri zirveleri. Birden fazla 60 ° C daha yüksek bir sıcaklık karbon alt-tabaka üzerinde AQ moleküllerin adsorbe gösterir. Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 15. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
AQ-GMAs Şekil 6. elektrokimyasal karakterizasyonu. (A) hazırlanan Halkalı voltogramda 250 mm kalınlığında GMA diskler için (2 mV sn -1, 1 M HCI), (katı line) ve 12,4 ağırlıkça% AQ) (kesikli çizgi yükleniyor. Farklı potansiyel süpürme hızlarında aynı 12,4 ağırlıkça% AQ-GMA numunenin (B) özgeçmişleri. Içerlek arsa depolama kapasitesini şarj etmek AQ katkısı sabit kalır göstermektedir çözüm direnci AQ tamamen uygulanan gerilim penceresi içinde şarj edemiyorum böyle Büyük aşırı neden> 60 mV sn -1 kadar. (Kapasite değerleri AQ ile ilişkili deşarj zirve entegre ve GMA yatan kapasitesini çıkarılmasıyla elde edilmiştir.) Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 15. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada özetlenen işlemler tek temsilcisi olduğuna dikkat etmek önemlidir. Birçok ayarlamalar belirli bir uygulama için ayar malzemelerine mümkündür. Örneğin, resorsinol / formaldehit (RF) oranı sabit tutarken, nihai malzeme yoğunluğu üzerinde bir etkiye sahip olabilir, başlangıç malzemesi değişen konsantrasyonlarda. RF prosedürü daha yüksek bir yükleme küçük birincil parçacıklar ve tersi neden olarak Katalizör yükleme, gözenek morfolojisi değiştirebilir. Aktivasyon süresi de bir rol oynayabilir; kısa aktivasyon zamanlarda, yeni gözenekli ise mikro-mikro-gözenekli-mezogözenek sınırını geçmeye boyutları genişledi olan uzun aktivasyon zamanlarda mikrogözenekler şeklinde üretilir 15 Ayrıca, dikkate başlayan karbon köpük ağırlığını almalıdır aktivasyon zamanı.; Yukarıda tarif edilen aktivasyon işlemi tipik verimleri Başlangıç karbon köpüğün ağırlığına göre, 25% -30% Takriben edildi.
Karbonlaştırma sıcaklığı da maddi ayarlama için fırsatlar sunar. Elektrik iletkenliği artışıdramatik üzerinde 800 ° C RF tabanlı materyaller s. 1500 ° C üzerinde karbonizasyon sıcaklıklarında GMAs yüzey alanı kaybetmek ve grafen yaprak az kusurları ile, daha grafitik olur.
Yukarıda, tarif edilen malzemenin sentezinde esneklik aksine, daha uzun antrakinon, artan konsantrasyon ile GMA malzemeleri işlevselleştirilmesi ve ne zaman kat daha AQ yükleme ile sonuçlanmamıştır emmek bulundu. Bu alt-tabaka GMA ilk yoksun stabilize van der Waals etkileşimleri ötesinde katmanları olan, yaklaşık olarak tek katlı bir AQ içerisinde atfedilebilir.
Sentetik protokolün Gelecekteki uygulamalar pil elektrotları Makroboşluk tanımlamak ve örneğin kütle taşıma optimize akış malzeme imalat içine kurbanlık şablonları içeren buraya içerir nitelendirdi. 18,19 çalışmak RF formüle ve gelişmiş üretim ile uyumluluk için haberci çözümleri GO da devam etmektedir (3DDoğrudan mürekkep yazma ve projeksiyon microstereo litografi gibi yazdırma) teknikleri. 20 Son olarak, 3D grafen iskelelerinin dayalı yeni kompozit malzemeler geliştirmeye devam ediyoruz. 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).
