مواد مبتنی بر کربن به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مانند ذخیره سازی انرژی، علوم زیست محیطی و شیمی مواد استفاده می شوند. در چند دهه گذشته، بسیاری از محققان داخلی و خارجی با موفقیت انواع غنی از مواد مبتنی بر کربن در حال ظهور، مانند بیوچار، گرافن، اکسید گرافن (GO)، نانولولههای کربنی، نانوالیاف کربن، کرههای کربنی، آئروژلهای کربنی، نیتروژن را توسعه دادهاند. کربن دوپ شده و فاز گرافیت نیترید کربن. ایروژل نوعی ماده جامد جدید با ساختار متخلخل بسیار ریز و چگالی کم است. از زمان تولدش در سال 1931، همیشه توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با پیشرفت مداوم زمان، محققان به کاوش و بهینه سازی روش های آماده سازی آئروژل ادامه می دهند، از آئروژل سیلیکا معدنی اولیه که به تدریج به آئروژل آلی توسعه یافت و سپس به آئروژل کربنی گسترش یافت و به همین ترتیب، دامنه کاربرد ایروژل نیز ادامه دارد. گسترش دهید.
آئروژلهای مبتنی بر کربن نوع جدیدی از مواد کربنی نانو متخلخل هستند که از کربنسازی در دمای بالا در یک محیط گاز بیاثر و با استفاده از آئروژلهای آلی به عنوان پیشساز به دست میآیند. آنها ویژگی های دوگانه ایروژل ها و مواد مبتنی بر کربن را دارند. به دلیل چگالی کم، سطح ویژه بالا و تخلخل بالا، ایروژل مبتنی بر کربن به طور گسترده در ذخیره انرژی، جذب، حسگر، محافظ الکترومغناطیسی و جذب استفاده می شود.
منبع تصویر: مجله کلوئید و علوم رابط
طبقه بندی آئروژل های مبتنی بر کربن:
بر اساس تفاوت منابع مواد خام، آئروژلهای کربنی را میتوان به سه دسته تقسیم کرد: آئروژلهای کربنی مبتنی بر گرافیت، آئروژلهای کربن آلی و آئروژلهای کامپوزیت کربن.
برای آئروژلهای کربنی مبتنی بر گرافیت، مانند آئروژلهای گرافنی و آئروژلهای نانولولههای کربنی، مواد گرافیتی-کربنی مستقیماً با استفاده از فرآیندهای مونتاژ مناسب در ساختارهای آئروژل سهبعدی ترکیب میشوند. این مواد آئروژل کربنی به دلیل رسانایی الکتریکی بالا به طور گسترده ای در انواع دستگاه های الکترونیکی و حسگرها استفاده می شوند.
ماده پیش ساز آئروژل کربن آلی متعلق به مواد آلی است که پس از فرآیند کربنیزاسیون در دمای بالا به ماده کربنی تبدیل می شود و سپس با کمک فرآیند مونتاژ ساختار متخلخل سه بعدی ساخته می شود. این آئروژلهای مبتنی بر کربن را میتوان به آئروژلهای کربنی زیست توده و آئروژلهای کربنی مبتنی بر پلیمر تقسیم کرد. به دلیل خواص جذب عالی و ویژگیهای ساختاری منحصربهفرد، کاربرد و پتانسیل توسعه گستردهای در زمینههای حفاظت از محیط زیست و انرژی دارند.
ایروژل کامپوزیت کربن یک روند توسعه بسیار مهم در زمینه ایروژل مبتنی بر کربن در سال های اخیر است. با معرفی گروه های آلی یا پلیمر می توان نسبت بین اجزا را تنظیم و کنترل کرد و سپس مشکلات مواد آئروژل مبتنی بر کربن تک جزیی مانند شکنندگی بیشتر، رطوبت آسان، انعطاف پذیری ضعیف و غیره را بهینه کرد. با حفظ خواص عالی، آئروژل های کامپوزیت کربن به مکمل عملکردی بین مواد مختلف دست می یابند که فضای وسیع تری را برای کاربرد آئروژل های مبتنی بر کربن باز می کند.
تهیه آئروژل بر پایه کربن:
تهیه آئروژل مبتنی بر کربن معمولاً شامل سه مرحله زیر است: (1) محلول سازی پیش ساز، ژل شدن سل و پیری. ② ژل خشک می شود تا به آئروژل تبدیل شود. ③ کربن کردن آئروژل برای به دست آوردن آئروژل مبتنی بر کربن. ایروژل مبتنی بر کربن در بسیاری از کاربردها عملکرد خوبی از خود نشان داده است، اما فرآیند آماده سازی پیچیده، هزینه بالا و عملکرد کم کاربرد عملی آن را محدود می کند. روش های تهیه مواد ایروژل مبتنی بر کربن عمدتاً شامل روش سل-ژل، روش هیدروترمال، روش رسوب شیمیایی بخار و روش قالب یخ می باشد.
کاربرد آئروژل مبتنی بر کربن:
ایروژل مبتنی بر کربن نوعی ماده کربنی سبک، متخلخل و بی شکل با ساختار نانومتخلخل است. ایروژل مبتنی بر کربن دارای ارزش کاربردی مهمی در زمینه های کلیدی ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، کاتالیزور و حامل آن، صنایع دفاع ملی و نظامی و حفاظت از محیط زیست است.
1.عایق حرارتی برای باتری های داغ و ابرخازن ها
در تجهیزات ذخیره انرژی، دما تأثیر زیادی بر عملکرد و طول عمر آن دارد. ایروژل می تواند به عنوان یک ماده عایق حرارتی برای باتری های داغ و ابرخازن ها استفاده شود و از انتقال سریع گرما به داخل باتری یا خازن جلوگیری می کند و پایداری دمای عملیاتی تجهیزات را حفظ می کند و در نتیجه عملکرد و ایمنی تجهیزات را بهبود می بخشد.
2. مواد جاذب صدا
ساختار متخلخل ایروژل باعث می شود که خاصیت جذب صدا خوبی داشته باشد. هنگامی که امواج صوتی در منافذ آئروژل منتشر می شوند، بارها منعکس و پراکنده می شوند، به طوری که انرژی صوتی به پوسیدگی ادامه می دهد. در سالنهای کنسرت، استودیوهای ضبط و سایر مکانهایی که نیازمندیهای محیطی آکوستیک بالا هستند، میتوان از ایروژل برای ساخت پانلهای جذب صدا استفاده کرد که به طور موثر زمان طنین داخلی را کاهش میدهد و وضوح صدا را بهبود میبخشد.
3. پشتیبانی کاتالیست
سطح ویژه بالای ایروژل، تعداد زیادی محل بارگیری را برای کاتالیزور فراهم می کند. در واکنشهای کاتالیزوری محیطی، مانند تصفیه کاتالیستی گاز خروجی خودرو، اکسیداسیون کاتالیستی گازهای زباله صنعتی و غیره، بارگیری کاتالیزور بر روی حامل هواژل میتواند پراکندگی و فعالیت کاتالیزور را بهبود بخشد تا تبدیل مواد مضر را کاتالیز کند. موثرتر و کاهش انتشار آلاینده ها.
4. مواد بسته بندی برای دستگاه های الکترونیکی
آئروژل ها خواص عایق الکتریکی خوب و ثابت دی الکتریک پایینی دارند و می توانند به عنوان مواد بسته بندی وسایل الکترونیکی استفاده شوند. در دستگاه های الکترونیکی مانند مدارهای مجتمع و تراشه ها، بسته بندی ایروژل می تواند از اجزای الکترونیکی در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت و گرد و غبار محافظت کند، در حالی که ثابت دی الکتریک پایین آن به کاهش تاخیر و تلفات در هنگام انتقال سیگنال کمک می کند.
منبع تصویر: RSC Advances