I materiali a base di carbonio sono ampiamente utilizzati in molti campi come lo stoccaggio dell’energia, le scienze ambientali e la chimica dei materiali. Negli ultimi decenni, molti studiosi in patria e all’estero hanno sviluppato con successo una ricca varietà di materiali emergenti a base di carbonio, come biochar, grafene, ossido di grafene (GO), nanotubi di carbonio, nanofibre di carbonio, sfere di carbonio, aerogel di carbonio, particelle di azoto -nitruro di carbonio in fase di carbonio drogato e grafite. L'aerogel è un tipo di nuovo materiale solido con struttura porosa ultrafine e bassa densità. Fin dalla sua nascita nel 1931, ha sempre attirato grande attenzione. Con il continuo progresso del tempo, i ricercatori continuano a esplorare e ottimizzare i metodi di preparazione dell'aerogel, dall'aerogel di silice inorganica iniziale gradualmente sviluppato all'aerogel organico, per poi estendersi all'aerogel di carbonio e, di conseguenza, anche il campo di applicazione dell'aerogel continua a crescere. espandere.
Gli aerogel a base di carbonio sono un nuovo tipo di materiali di carbonio nano-porosi ottenuti mediante carbonizzazione ad alta temperatura in un ambiente di gas inerte, utilizzando aerogel organici come precursori. Hanno la doppia caratteristica sia degli aerogel che dei materiali a base di carbonio. A causa della sua bassa densità, elevata area superficiale specifica e elevata porosità, l'aerogel a base di carbonio è stato ampiamente utilizzato nello stoccaggio di energia, nell'adsorbimento, nei sensori, nella schermatura e nell'assorbimento elettromagnetico.
Fonte immagine: Journal of Colloid and Interface Science
Classificazione degli aerogel a base di carbonio:
In base alla differenza delle fonti di materia prima, gli aerogel di carbonio possono essere approssimativamente suddivisi in tre categorie: aerogel di carbonio a base di grafite, aerogel di carbonio organico e aerogel compositi di carbonio.
Per gli aerogel di carbonio a base di grafite, come gli aerogel di grafene e gli aerogel di nanotubi di carbonio, i materiali di grafite-carbonio vengono combinati direttamente in strutture di aerogel tridimensionali utilizzando processi di assemblaggio appropriati. A causa della loro elevata conduttività elettrica, questi materiali di aerogel di carbonio sono ampiamente utilizzati in una varietà di dispositivi elettronici e sensori.
Il materiale precursore dell'aerogel di carbonio organico appartiene alla materia organica, che viene trasformata in materiale di carbonio dopo il processo di carbonizzazione ad alta temperatura, quindi la struttura porosa tridimensionale viene costruita con l'aiuto del processo di assemblaggio. Questi aerogel a base di carbonio possono essere suddivisi in aerogel di carbonio da biomassa e aerogel di carbonio a base di polimeri. Grazie alle loro eccellenti proprietà di adsorbimento e alle caratteristiche strutturali uniche, hanno un ampio potenziale di applicazione e sviluppo nei campi della protezione ambientale e dell'energia.
Negli ultimi anni l'aerogel composito di carbonio ha rappresentato una tendenza di sviluppo molto importante nel campo degli aerogel a base di carbonio. Introducendo gruppi organici o polimeri, il rapporto tra i componenti può essere regolato e controllato, quindi è possibile ottimizzare i problemi dei materiali aerogel a base di carbonio monocomponente come maggiore fragilità, facile umidità, scarsa flessibilità e così via. Pur mantenendo proprietà eccellenti, gli aerogel compositi in carbonio raggiungono una complementarità funzionale tra diversi materiali, il che apre uno spazio più ampio per l’applicazione di aerogel a base di carbonio.
Preparazione dell'aerogel a base di carbonio:
La preparazione dell'aerogel a base di carbonio solitamente comprende le seguenti tre fasi: (1) solazione del precursore, gelificazione del sol e invecchiamento; ② Il gel si asciuga fino a diventare aerogel; ③ Carbonizzazione dell'aerogel per ottenere aerogel a base di carbonio. L'aerogel a base di carbonio ha mostrato buone prestazioni in molte applicazioni, ma il complesso processo di preparazione, i costi elevati e la bassa resa ne limitano l'applicazione pratica. I metodi di preparazione dei materiali aerogel a base di carbonio comprendono principalmente il metodo sol-gel, il metodo idrotermale, il metodo di deposizione chimica da vapore e il metodo del modello di ghiaccio.
Applicazione dell'aerogel a base di carbonio:
L'aerogel a base di carbonio è un tipo di materiale di carbonio leggero, poroso e amorfo con struttura nanoporosa. L'aerogel a base di carbonio ha un importante valore applicativo nei campi chiave dello stoccaggio dell'energia elettrochimica, dei catalizzatori e del suo vettore, della difesa nazionale, dell'industria militare e della protezione ambientale.
1.Isolamento termico per batterie calde e supercondensatori
Nelle apparecchiature di accumulo dell'energia, la temperatura ha un grande impatto sulle prestazioni e sulla durata. L'aerogel può essere utilizzato come materiale isolante termico per batterie calde e supercondensatori, impedendo il trasferimento troppo rapido del calore all'interno della batteria o del condensatore e mantenendo la stabilità della temperatura operativa dell'apparecchiatura, migliorando così le prestazioni e la sicurezza dell'apparecchiatura.
2. Materiale fonoassorbente
La struttura porosa dell'aerogel gli conferisce buone proprietà fonoassorbenti. Quando le onde sonore si propagano nei pori dell'aerogel, verranno riflesse e disperse molte volte, in modo che l'energia sonora continui a decadere. Nelle sale da concerto, negli studi di registrazione e in altri luoghi con elevati requisiti ambientali acustici, l'aerogel può essere utilizzato per produrre pannelli fonoassorbenti, riducendo efficacemente il tempo di riverbero interno e migliorando la chiarezza del suono.
3.Supporto catalizzatore
L'elevata superficie specifica dell'aerogel fornisce un gran numero di siti di caricamento per il catalizzatore. Nelle reazioni catalitiche ambientali, come la purificazione catalitica dei gas di scarico delle automobili, l'ossidazione catalitica dei gas di scarico industriali, ecc., il caricamento del catalizzatore sul supporto dell'aerogel può migliorare la dispersione e l'attività del catalizzatore, in modo da catalizzare la conversione di sostanze nocive in modo più efficace e ridurre l’emissione di sostanze inquinanti.
4.Materiali per l'imballaggio di dispositivi elettronici
Gli aerogel hanno buone proprietà di isolamento elettrico e una bassa costante dielettrica e possono essere utilizzati come materiali di imballaggio per dispositivi elettronici. Nei dispositivi elettronici come circuiti integrati e chip, l'imballaggio in aerogel può proteggere i componenti elettronici da fattori ambientali come umidità e polvere, mentre la sua bassa costante dielettrica aiuta a ridurre ritardi e perdite durante la trasmissione del segnale.
fonte immagine:RSC Advances