Synthese en functionalisering van 3D Nano-grafeen Materialen: Grafeen Aerogels en Grafeen Macro Assemblies
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
Inspanningen om grafeen assembleren in driedimensionale monolithische structuren zijn belemmerd door de hoge kosten en slechte verwerkbaarheid van grafeen. Bovendien, de meeste gerapporteerde grafeen assemblages samen door middel van fysieke interacties (bijvoorbeeld van der Waals krachten) in plaats van chemische bindingen, die hun mechanische sterkte en geleidbaarheid beperkt gehouden. Deze video methode gegevens recent ontwikkelde strategieën om massa-produceerbare, grafeen gebaseerde bulk materialen afgeleid van ofwel polymeerschuimen of enkele laag grafeen oxide te fabriceren. Deze materialen bestaan voornamelijk uit individuele grafeen platen aangesloten via covalent gebonden koolstof linkers. Zij houden de gunstige eigenschappen van grafeen zoals hoog oppervlak en hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, gecombineerd met instelbare poriën morfologie en uitzonderlijke mechanische sterkte en elasticiteit. Deze flexibele synthetische werkwijze kan worden uitgebreid tot de fabricage van polymeer / koolstofnanobuisjes (CNT) eend polymeer / grafeen oxide (GO) composietmaterialen. Bovendien wordt extra post-synthetische functionalisering met antrachinon beschreven, die een dramatische toename ladingsopslagtransistors prestaties supercondensator mogelijk is.
Introduction
Omdat de isolatie van grafeen in 2004, heeft 1 interesse in het benutten van zijn unieke eigenschappen hebben geleid tot intensieve inspanningen gericht op het samenstellen van grafeen in drie-dimensionale, monolithische structuren die de eigenschappen van individuele grafeen platen behouden. 2-5 Deze inspanningen werden gehinderd door de Dat grafeen zelf kostbaar en tijdrovend om te produceren en klontert in oplossing, waarbij de schaalbaarheid van materialen op basis van grafeen bouwstenen beperkt. Bovendien worden grafeen samenstellingen typisch uit fysische verknoping interacties (bijvoorbeeld van der Walls krachten) tussen de afzonderlijke grafeen vellen, die veel minder geleidend en mechanisch robuust dan chemische binding verknopingen. Lawrence Livermore National Laboratory is betrokken geweest bij de ontwikkeling van nieuwe poreuze, low-density koolstof-materialen sinds de jaren 1980. 6 Verschillende strategieën zijn geïdentificeerd om de massa-produ fabricerencible grafeen gebaseerde monolithische bulk materiaal van zowel low-cost-polymeer afgeleid koolstof schuimen, die grafeen aerogels worden genoemd (Gas), 7 en door directe verknoping van grafeen oxide (GO) bladen, die grafeen macro- worden genoemd assemblages (GMAs). 8,9 Deze ultrahoge oppervlakte bulk materialen hebben een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, uitzonderlijke mechanische sterkte en elasticiteit en afstembare porie morfologie. GAs en GMAs hebben nut in talrijke toepassingen waaronder elektrodematerialen in supercondensatoren en accu, geavanceerde katalysatordragers, adsorbentia, isolatie, sensoren en ontzilting. 10
De synthese van grafeen aerogels begint met sol-gel-polymerisatie van een waterige oplossing van resorcinol en formaldehyde tot zeer verknoopte organische gels genereren. Deze gels worden gewassen met water en aceton en daarna gedroogd met behulp superkritisch CO2 en gepyrolyseerd in een iNert sfeer koolstof aerogels geven met een relatief lage oppervlakte en poriënvolume. Koolstof aërogels worden geactiveerd door gecontroleerde verwijdering koolstofatomen onder milde oxiderende voorwaarde (bijvoorbeeld CO 2) een verknoopt materiaal bestaande uit zowel amorf koolstof en grafiet nanoplatelets, met hogere oppervlakte open poriën morfologievorm. 7 Een uniek voordeel van de sol-gel-synthese dat gas kan worden vervaardigd in verschillende vormen, waaronder monolieten en dunne films, afhankelijk van de behoeften van de toepassing. Koolstof nanobuisjes 11 en / of grafeen platen 12 kan in gas worden geïntegreerd door het opnemen van deze additieven in het sol-gel voorloper oplossing. Dit genereert samengestelde structuren waarin het additief wordt een deel van de primaire koolstof netwerkstructuur. Bovendien kan de GA raamwerk worden gefunctionaliseerd na verkoling / activering hetzij door modificatie van het oppervlak of aerogel door afzetting van materialen,bijvoorbeeld katalysator nanodeeltjes, op het raamwerk structuur. 13
Grafeen macro-assemblies (GMAs) worden bereid door direct te verknopen geschorst grafeen oxide (GO) lakens, gebruik te maken van hun inherente chemische functionaliteit. 9 GO platen bevatten een verscheidenheid van functionele groepen, met inbegrip van epoxide en hydroxide delen, dat als kan dienen chemische verknoping sites. Zoals in de GA preparaat, samengesteld GMAs worden supercritically gedroogd om het poreuze netwerk behouden, dan gepyroliseerd de chemische verknopingen in geleidend carbon bruggen die structurele steun voor de apparatuur worden verminderd. Door de covalente koolstof bruggen tussen grafeen platen, GMAs hebben elektrische geleidingsvermogen en de mechanische stijfheid die ordes van grootte hoger dan grafeen samenstellingen gevormd met fysische verknoping. Bovendien GMAs hebben oppervlakken benadert de theoretische waarde van één grafeen vel. Post-synthetische thermische tehandeling bij verhoogde temperatuur (> 1050 ° C) kan een aanzienlijke verbetering van de kristalliniteit van GMAs, waardoor nog hogere geleidbaarheden en Young's modulus en een betere thermische oxidatieweerstand. 14 Post-synthetische chemische behandeling van GMAs met redox-actieve organische moleculen zoals antrachinon kan lading opslagcapaciteit vergroten in supercondensator toepassingen. 15
De afstembare materiaaleigenschappen van GAs en GMAs zijn deels Door zorgvuldig variërende synthetische aandoeningen zoals reagentia en katalysatorconcentraties, hardingstijd en temperatuur, droogomstandigheden en verkoling / activeringsprocessen. 16 Deze gedetailleerde videoprotocol beoogt dubbelzinnigheden lossen in de gepubliceerde methodes en onderzoekers poging om de materialen en de omstandigheden te reproduceren leiden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het is belangrijk op te merken dat de hier beschreven procedures zijn alleen representatief. Vele aanpassingen zijn mogelijk afstemmen materialen voor een bepaalde toepassing. Zo varieert het uitgangsmateriaal concentraties, terwijl resorcinol / formaldehyde (RF) verhouding constant, kan van invloed zijn op de uiteindelijke materiaaldichtheid hebben. Katalysatorlading kan porie morfologie veranderen, een hogere belasting van de RF procedure leidt tot kleinere primaire deeltjes en vice-versa. Activering tijd kan een rol …
Disclosures
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).
