グラフェンエアロゲルとグラフェンマクロアセンブリ：3Dナノグラフェン材料の合成と機能化
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
三次元モノリシック構造にグラフェンを組み立てるする努力は、高コストとグラフェンの悪い加工によって妨げられてきました。さらに、ほとんどがグラフェンアセンブリが一緒に機械的強度および導電性を制限する物理的相互作用（例えば、ファンデルワールス力）よりもむしろ化学結合を介して保持されていると報告しました。このビデオ方法の詳細は、最近ポリマー発泡体または単層グラフェン酸化物のいずれかから誘導された大量生産、グラフェンベースのバルク材料を製造するための戦略を開発しました。これらの材料は、主に共有結合した炭素リンカーを介して接続された個々のグラフェンシートから構成されています。彼らは、そのような調整可能な細孔形態と優れた機械的強度と弾性と組み合わせ、高表面積と高い導電性と熱伝導性などのグラフェンの有利な特性を維持します。この柔軟な合成法は、ポリマー/カーボンナノチューブ（CNT）ANの製造に拡張することができますDポリマー/酸化グラフェン（GO）複合材料。さらに、アントラキノンと追加の合成後の官能化は、スーパーキャパシタ用途における電荷蓄積性能の劇的な増加を可能にする、記載されています。
Introduction
2004年にはグラフェンの単離のため、そのユニークな特性を利用する1関心が個々のグラフェンシートの特性を保持する三次元、モノリシック構造にグラフェンを組み立てるに向け激しい努力につながっている。2-5これらの努力はすることによって妨げられてきましたグラフェン自体が高価で時間生成することがかかり、グラフェンビルディングブロックに基づいて材料のスケーラビリティを制限する溶液を、中で凝集する傾向があるという事実。さらに、グラフェンのアセンブリは、通常、はるかに少ない導電性と化学結合の架橋よりも機械的に堅牢であり、個々のグラフェンシート間の物理的架橋の相互作用（ 例えば 、ファン・デル・ワールス力）、から構成されています。ローレンス・リバモア国立研究所は、1980年代以降、新規多孔質、低密度炭素材料の開発に携わってきました。6いくつかの戦略は、大量のproduを製造するために同定されていますグラフェンエアロゲル（ガス）と呼ばれている低コストのポリマー由来の炭素発泡体、両方から、7だけでなく、グラフェンのマクロと呼ばれているグラフェン酸化物（GO）シートの直接架橋によってcibleグラフェンベースのモノリシックバルク材料アセンブリ（GMAS）。8,9これらの超高表面積のバルク材料は、高い電気と熱伝導率、非常に優れた機械的強度、弾性、および調整可能な細孔形態を持っています。ガスとGMASスーパーキャパシタや充電式電池における電極材料を含む多数の用途に有用性を発見した、高度な触媒担体、吸着剤、断熱材、センサー、脱塩。10
グラフェンエーロゲルの合成は、高度に架橋した有機ゲルを生成するために、レゾルシノールとホルムアルデヒドの水溶液のゾル – ゲル重合から始まります。これらのゲルは、水およびアセトンで洗浄し、その後、超臨界CO 2を用いて乾燥し、Iで熱分解がnert雰囲気は、比較的低い表面積及び細孔容積を有するカーボンエアロゲルを得ました。炭素エーロゲルはより高い表面積及び開気孔形態で、両方のアモルファスカーボンやグラファイトナノプレートレットで構成される架橋材料を形成するために、穏やかな酸化条件（例えば、CO 2）の下での炭素原子の制御された除去により活性化される。7のユニークな利点ゾル – ゲル合成ガスは、アプリケーションのニーズに応じて、モノリス及び薄膜を含む様々な形態で製造することができるということです。カーボンナノチューブ11および/ またはグラフェンシート12は、ゾルゲル前駆体溶液中のこれらの添加剤を含むことによって、ガス中に統合することができます。これは、添加剤は第一級炭素網目構造の一部となるような複合構造体を生成します。さらに、GAのフレームワークは、炭化/活性化後エアロゲル表面の改質を介して、または材料の堆積のいずれかを介して官能化することができ、例えば触媒は、骨格構造の上に、ナノ粒子。13
グラフェンマクロアセンブリ（GMAS）は、それらの固有の化学的機能性を利用して直接架橋懸濁酸化グラフェン（GO）シート、によって調製される。9 GOシートとして役立つことができるエポキシドおよび水酸化物部分を含む官能基は、種々の含有します化学架橋サイト。 GAの調製と同様に、GMAS組み立てが超臨界多孔性ネットワークを維持するために乾燥され、次にアセンブリのための構造的支持を提供する導電性炭素架橋に化学的架橋を減少させるために熱分解。これによりグラフェンシートとの間の共有炭素ブリッジに、GMASは物理的な架橋が形成されたグラフェンアセンブリよりも桁違いに電気伝導性、機械的剛性を有します。さらに、GMASは、単一グラフェンシートの理論値に近づいて表面積を有します。合成後の熱トン高温（> 1050℃）でreatmentが大幅に、より高い導電率とヤング率だけでなく、優れた耐熱酸化性につながる、GMASの結晶性を向上させることができます。のような酸化還元活性有機分子とGMASの14ポスト合成化学的処理をアントラキノンは、スーパーキャパシタ用途における電荷蓄積容量を向上させることができる。15
ガスとGMASの調節可能な材料特性は、部分的には、慎重にそのような試薬及び触媒濃度、硬化時間と温度、乾燥条件、及び炭化/活性化プロセスなどの合成条件を変化させた結果である。16この詳細なビデオプロトコルは、あいまいさを解決することを目的と公開された方法では、材料および条件を再現しようとする研究者を案内します。
Protocol
Representative Results
Discussion
なお、ここで説明した手順が唯一の代表的なものであることに注意することが重要です。多くの調整は、特定のアプリケーションのためのチューニング材料に可能です。例えば、レゾルシノール/ホルムアルデヒド（RF）比を一定に維持しながら、出発材料の濃度を変化させ、最終的な材料の密度に影響を与えることができます。 RF手順でより高い負荷が小さく、一次粒子およびその逆につな?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
