Materijali na bazi ugljika se široko koriste u mnogim poljima kao što su skladištenje energije, nauka o životnoj sredini i hemija materijala. U posljednjih nekoliko decenija, mnogi naučnici u zemlji i inostranstvu uspješno su razvili bogatu raznolikost novih materijala na bazi ugljika, kao što su biouglje, grafen, grafen oksid (GO), ugljične nanocijevi, ugljična nanovlakna, ugljične sfere, ugljični aerogelovi, dušik -dopirani ugljik i grafitna faza ugljični nitrid. Aerogel je vrsta novog čvrstog materijala ultra fine porozne strukture i male gustine. Od svog rođenja 1931. godine, uvijek je privlačio široku pažnju. Sa stalnim napretkom vremena, istraživači nastavljaju da istražuju i optimizuju metode pripreme aerogela, od početnog anorganskog silicijum dioksida aerogela koji se postepeno razvijao do organskog aerogela, a zatim se proširio na ugljični aerogel, i shodno tome, raspon primjene aerogela se također nastavlja proširiti.
Aerogelovi na bazi ugljika su novi tip nano-poroznih ugljičnih materijala dobivenih karbonizacijom na visokoj temperaturi u okruženju inertnog plina, koristeći organske aerogele kao prekursore. Imaju dvostruke karakteristike i aerogela i materijala na bazi ugljika. Zbog svoje male gustine, velike specifične površine i velike poroznosti, aerogel na bazi ugljenika se široko koristi u skladištenju energije, adsorpciji, senzoru, elektromagnetnoj zaštiti i apsorpciji.
Izvor slike: Journal of Colloid and Interface Science
Klasifikacija aerogela na bazi ugljika:
Na osnovu razlika u izvorima sirovina, ugljični aerogelovi se mogu grubo podijeliti u tri kategorije: ugljični aerogel na bazi grafita, aerogel organskog ugljika i ugljični kompozitni aerogel.
Za ugljenične aerogele na bazi grafita, kao što su grafenski aerogelovi i aerogelovi sa ugljičnim nanocijevima, grafitno-ugljenični materijali se direktno kombinuju u trodimenzionalne aerogelove strukture koristeći odgovarajuće procese sklapanja. Zbog svoje visoke električne provodljivosti, ovi karbonski aerogel materijali se široko koriste u raznim elektronskim uređajima i senzorima.
Prekursorski materijal organskog ugljičnog aerogela pripada organskoj tvari koja se nakon procesa karbonizacije na visokim temperaturama pretvara u ugljični materijal, a zatim se uz pomoć procesa sklapanja konstruira trodimenzionalna porozna struktura. Ovi aerogelovi na bazi ugljika mogu se podijeliti na ugljične aerogele iz biomase i ugljične aerogele na bazi polimera. Zbog svojih odličnih svojstava adsorpcije i jedinstvenih strukturnih karakteristika, imaju široku primjenu i potencijal razvoja u oblastima zaštite okoliša i energetike.
Ugljični kompozitni aerogel je vrlo važan trend razvoja u oblasti aerogela na bazi ugljika posljednjih godina. Uvođenjem organskih grupa ili polimera može se podesiti i kontrolisati omjer između komponenti, a zatim se mogu optimizirati problemi jednokomponentnih aerogel materijala na bazi ugljika kao što su veća lomljivost, laka vlaga, slaba fleksibilnost i tako dalje. Zadržavajući izvrsna svojstva, karbonski kompozitni aerogelovi postižu funkcionalnu komplementarnost između različitih materijala, što otvara širi prostor za primjenu aerogela na bazi ugljika.
Priprema aerogela na bazi ugljika:
Priprema aerogela na bazi ugljenika obično uključuje sljedeća tri koraka: (1) soliranje prekursora, sol geliranje i starenje; ② Gel se suši i postaje aerogel; ③ Karbonizacija aerogela za dobijanje aerogela na bazi ugljenika. Aerogel na bazi ugljenika pokazao je dobre performanse u mnogim primenama, ali složen proces pripreme, visoka cena i mali prinos ograničavaju njegovu praktičnu primenu. Metode pripreme aerogel materijala na bazi ugljika uglavnom uključuju sol-gel metodu, hidrotermalnu metodu, metodu hemijskog taloženja pare i metodu šablona leda.
Primjena aerogela na bazi ugljika:
Aerogel na bazi ugljika je vrsta laganog, poroznog, amorfnog ugljičnog materijala sa nanoporoznom strukturom. Aerogel na bazi ugljenika ima važnu primenu u ključnim oblastima elektrohemijskog skladištenja energije, katalizatora i njegovog nosača, nacionalne odbrane i vojne industrije i zaštite životne sredine.
1. Toplotna izolacija za tople baterije i superkondenzatore
U opremi za skladištenje energije temperatura ima veliki uticaj na njene performanse i životni vek. Aerogel se može koristiti kao toplinski izolacijski materijal za vruće baterije i superkondenzatore, sprječavajući prebrzo prenošenje 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 talasi šire u porama aerogela, oni će se reflektovati i raspršiti mnogo puta, tako da će zvučna energija nastaviti da se raspada. U koncertnim dvoranama, studijima za snimanje i drugim mestima sa visokim zahtevima za akustičnim okruženjem, aerogel se može koristiti za proizvodnju panela koji apsorbuju zvuk, efikasno smanjujući vreme reverberacije u zatvorenom prostoru i poboljšavajući jasnoću zvuka.
3.Podrška za katalizator
Visoka specifična površina aerogela obezbeđuje veliki broj mesta za punjenje katalizatora. U ekološkim katalitičkim reakcijama, kao što je katalitičko pročišćavanje izduvnih plinova automobila, katalitička oksidacija industrijskog otpadnog plina, itd., punjenje katalizatora na nosač aerogela može poboljšati disperziju i aktivnost katalizatora, tako da katalizuje konverziju štetnih tvari efikasnije i smanjiti emisiju zagađujućih materija.
4. Ambalažni materijali za elektronske uređaje
Aerogelovi imaju dobra svojstva električne izolacije i nisku dielektričnu konstantu, te se mogu koristiti kao materijali za pakovanje elektronskih uređaja. U elektronskim uređajima kao što su integrisana kola i čipovi, aerogel pakovanje može zaštititi elektronske komponente od faktora okoline kao što su vlaga i prašina, dok njegova niska dielektrična konstanta pomaže u smanjenju kašnjenja i gubitaka tokom prenosa signala.
izvor slike:RSC Advances