Materijali na bazi ugljika naširoko se koriste u mnogim područjima kao što su skladištenje energije, znanost o okolišu i kemija materijala. U posljednjih nekoliko desetljeća, mnogi znanstvenici u zemlji i inozemstvu uspješno su razvili bogat izbor novih materijala na bazi ugljika, kao što su biougljen, grafen, grafen oksid (GO), ugljikove nanocijevi, ugljikova nanovlakna, ugljikove sfere, ugljikovi aerogelovi, dušik -dopirani ugljik i grafitna faza ugljikov nitrid. Aerogel je vrsta novog čvrstog materijala s ultra-finom poroznom strukturom i niskom gustoćom. Od svog rođenja 1931. godine uvijek je privlačio široku pozornost. Uz kontinuirani napredak vremena, istraživači nastavljaju istraživati i optimizirati metode pripreme aerogela, od početnog anorganskog silicijevog aerogela koji se postupno razvijao do organskog aerogela, a zatim proširenog na ugljični aerogel, i sukladno tome, raspon primjene aerogela također se nastavlja proširiti.
Aerogelovi na bazi ugljika nova su vrsta nanoporoznih ugljičnih materijala dobivenih karbonizacijom na visokoj temperaturi u okruženju inertnog plina, koristeći organske aerogelove kao prekursore. Imaju dvojake karakteristike i aerogelova i materijala na bazi ugljika. Zbog svoje niske gustoće, velike specifične površine i visoke poroznosti, aerogel na bazi ugljika naširoko se koristi u pohrani energije, adsorpciji, senzoru, elektromagnetskoj zaštiti i apsorpciji.
Izvor slike: Journal of Colloid and Interface Science
Klasifikacija aerogelova na bazi ugljika:
Na temelju razlika u izvorima sirovina, ugljični aerogeli mogu se grubo podijeliti u tri kategorije: ugljični aerogeli na bazi grafita, organski ugljični aerogeli i ugljični kompozitni aerogeli.
Za ugljične aerogelove na bazi grafita, poput grafenskih aerogelova i aerogelova ugljikovih nanocijevi, materijali grafit-ugljik izravno se kombiniraju u trodimenzionalne strukture aerogela korištenjem odgovarajućih procesa sastavljanja. Zbog svoje visoke električne vodljivosti, ovi ugljični aerogel materijali naširoko se koriste u raznim elektroničkim uređajima i senzorima.
Prekursorski materijal organskog ugljičnog aerogela pripada organskoj tvari, koja se transformira u ugljični materijal nakon procesa karbonizacije na visokoj temperaturi, a zatim se uz pomoć procesa sklapanja konstruira trodimenzionalna porozna struktura. Ovi aerogelovi na bazi ugljika mogu se dalje podijeliti na ugljične aerogelove iz biomase i ugljične aerogelove na bazi polimera. Zbog izvrsnih adsorpcijskih svojstava i jedinstvenih strukturnih karakteristika imaju široku primjenu i razvojni potencijal u područjima zaštite okoliša i energetike.
Ugljični kompozitni aerogel je vrlo važan razvojni trend u području aerogela na bazi ugljika posljednjih godina. Uvođenjem organskih skupina ili polimera, omjer između komponenata može se prilagoditi i kontrolirati, a zatim se mogu optimizirati problemi jednokomponentnih aerogelnih materijala na bazi ugljika kao što su veća lomljivost, laka vlažnost, slaba fleksibilnost i tako dalje. Zadržavajući izvrsna svojstva, ugljični kompozitni aerogelovi postižu funkcionalnu komplementarnost između različitih materijala, što otvara širi prostor za primjenu aerogelova na bazi ugljika.
Priprema aerogela na bazi ugljika:
Priprema aerogela na bazi ugljika obično uključuje sljedeća tri koraka: (1) soliranje prekursora, sol geliranje i starenje; ② Gel se suši i postaje aerogel; ③ Karbonizacija aerogela za dobivanje aerogela na bazi ugljika. Aerogel na bazi ugljika pokazao je dobre performanse u mnogim primjenama, ali složeni proces pripreme, visoka cijena i mali prinos ograničavaju njegovu praktičnu primjenu. Metode pripreme aerogel materijala na bazi ugljika uglavnom uključuju sol-gel metodu, hidrotermalnu metodu, metodu kemijskog taloženja iz pare i metodu ledenog šablona.
Primjena aerogela na bazi ugljika:
Aerogel na bazi ugljika je vrsta laganog, poroznog, amorfnog ugljikovog materijala s nanoporoznom strukturom. Aerogel na bazi ugljika ima važnu primjenjivu vrijednost u ključnim područjima elektrokemijskog skladištenja energije, katalizatora i njegovih nosača, nacionalne obrane i vojne industrije te zaštite okoliša.
1. Toplinska izolacija za vruće baterije i superkondenzatore
U opremi za pohranjivanje energije temperatura ima veliki utjecaj na njenu izvedbu i vijek trajanja. Aerogel se može koristiti kao toplinski izolacijski materijal za vruće baterije i superkondenzatore, sprječavajući prebrzi prijenos topline unutar baterije ili kondenzatora i održavajući stabilnost radne temperature opreme, čime se poboljšavaju performanse i sigurnost opreme.
2. Materijal koji apsorbira zvuk
Porozna struktura aerogela čini ga dobrim svojstvima upijanja zvuka. Kada se zvučni valovi šire u porama aerogela, oni će se reflektirati i raspršiti mnogo puta, tako da će zvučna energija nastaviti slabiti. U koncertnim dvoranama, studijima za snimanje i drugim mjestima s visokim zahtjevima za akustično okruženje, aerogel se može koristiti za proizvodnju ploča za upijanje zvuka, čime se učinkovito smanjuje vrijeme odjeka u zatvorenom prostoru i poboljšava jasnoća zvuka.
3. Podrška katalizatora
Visoka specifična površina aerogela osigurava veliki broj mjesta punjenja za katalizator. U katalitičkim reakcijama u okolišu, kao što je katalitičko pročišćavanje ispušnih plinova automobila, katalitička oksidacija industrijskih otpadnih plinova itd., postavljanje katalizatora na nosač aerogela može poboljšati disperziju i aktivnost katalizatora, kako bi se katalizirala pretvorba štetnih tvari učinkovitije i smanjiti emisiju onečišćujućih tvari.
4. Ambalažni materijali za elektroničke uređaje
Aerogeli imaju dobra električna izolacijska svojstva i nisku dielektričnu konstantu te se mogu koristiti kao materijali za pakiranje elektroničkih uređaja. U elektroničkim uređajima kao što su integrirani krugovi i čipovi, pakiranje aerogela može zaštititi elektroničke komponente od čimbenika okoline kao što su vlaga i prašina, dok njegova niska dielektrična konstanta pomaže smanjiti kašnjenja i gubitke tijekom prijenosa signala.
izvor slike: RSC Advances