Syntes och Funktion av 3D Nano-grafen Material: Grafen aerogel och Grafenmakro församlingar
Summary
This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.
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.
Protocol
Representative Results
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 sp…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344. IM release LLNL-JRNL-667016.
Materials
| Single Layer Graphene Oxide | Cheap Tubes | n/a | 300-800nm 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).
