Въглеродните материали се използват широко в много области като съхранение на енергия, наука за околната среда и химия на материалите. През последните няколко десетилетия много учени в страната и чужбина успешно разработиха богато разнообразие от нововъзникващи въглеродни материали, като биовъглен, графен, графенов оксид (GO), въглеродни нанотръби, въглеродни нановлакна, въглеродни сфери, въглеродни аерогелове, азот въглероден нитрид с добавка на въглерод и графитна фаза. Аерогелът е вид нов твърд материал с ултра фина пореста структура и ниска плътност. От раждането си през 1931 г. тя винаги е привличала широко внимание. С непрекъснатия напредък на времето, изследователите продължават да изследват и оптимизират методите за приготвяне на аерогел, от първоначалния неорганичен силициев аерогел, постепенно разработен до органичен аерогел и след това разширен до въглероден аерогел, и съответно диапазонът на приложение на аерогела също продължава да разширяване.
Въглеродните аерогелове са нов тип нанопорести въглеродни материали, получени чрез карбонизация при висока температура в среда от инертен газ, като се използват органични аерогелове като прекурсори. Те имат двойните характеристики както на аерогеловете, така и на въглеродните материали. Поради ниската си плътност, високата специфична повърхност и високата порьозност, базираният на въглерод аерогел се използва широко за съхранение на енергия, адсорбция, сензор, електромагнитно екраниране и абсорбция.
Източник на изображението: Journal of Colloid and Interface Science
Класификация на въглеродните аерогелове:
Въз основа на разликата в източниците на суровини, въглеродните аерогелове могат грубо да се разделят на три категории: въглеродни аерогели на основата на графит, органични въглеродни аерогели и въглеродни композитни аерогели.
За базирани на графит въглеродни аерогелове, като графенови аерогелове и аерогелове от въглеродни нанотръби, графитно-въглеродните материали се комбинират директно в триизмерни аерогелни структури, като се използват подходящи процеси на сглобяване. Поради високата си електропроводимост, тези въглеродни аерогелни материали се използват широко в различни електронни устройства и сензори.
Прекурсорният материал на органичния въглероден аерогел принадлежи към органична материя, която се трансформира във въглероден материал след процес на карбонизация при висока температура и след това се изгражда триизмерна пореста структура с помощта на процеса на сглобяване. Тези въглеродни аерогелове могат да бъдат подразделени на въглеродни аерогелове от биомаса и въглеродни аерогелове на полимерна основа. Поради своите отлични адсорбционни свойства и уникални структурни характеристики, те имат широко приложение и потенциал за развитие в областта на опазването на околната среда и енергетиката.
Въглеродният композитен аерогел е много важна тенденция за развитие в областта на въглеродния аерогел през последните години. Чрез въвеждане на органични групи или полимер, съотношението между компонентите може да се регулира и контролира, а след това проблемите на еднокомпонентните аерогелни материали на базата на въглерод, като по-голяма крехкост, лесна влага, слаба гъвкавост и т.н., могат да бъдат оптимизирани. Като поддържат отлични свойства, въглеродните композитни аерогелове постигат функционално допълване между различни материали, което отваря по-широко пространство за приложение на въглеродни аерогели.
Приготвяне на аерогел на въглеродна основа:
Приготвянето на аерогел на основата на въглерод обикновено включва следните три стъпки: (1) изолиране на прекурсор, зол желиране и стареене; ② Гелът изсъхва, за да стане аерогел; ③ Карбонизиране на аерогел за получаване на въглероден аерогел. Базираният на въглерод аерогел е показал добра производителност в много приложения, но сложният процес на приготвяне, високата цена и ниският добив ограничават практическото му приложение. Методите за приготвяне на аерогелни материали на базата на въглерод включват главно зол-гел метод, хидротермален метод, метод на химическо отлагане на пари и метод на леден шаблон.
Приложение на аерогел на въглеродна основа:
Въглероден аерогел е вид лек, порест, аморфен въглероден материал с нанопореста структура. Базираният на въглерод аерогел има важна приложна стойност в ключовите области на съхранение на електрохимична енергия, катализатор и неговия носител, национална отбрана и военна индустрия и опазване на околната среда.
1.Топлоизолация за горещи батерии и суперкондензатори
В оборудването за съхранение на енергия температурата има голямо влияние върху неговата производителност и живот. Аерогелът може да се използва като топлоизолационен материал за горещи батерии и суперкондензатори, предотвратявайки прекалено бързото прехвърляне на топлина вътре в батерията или кондензатора и поддържайки стабилността на работната температура на оборудването, като по този начин подобрява производителността и безопасността на оборудването.
2. Звукопоглъщащ материал
Порестата структура на аерогела го прави да има добри звукопоглъщащи свойства. Когато звуковите вълни се разпространяват в порите на аерогела, те ще бъдат отразени и разпръснати многократно, така че звуковата енергия ще продължи да се разпада. В концертни зали, звукозаписни студиа и други места с високи изисквания за акустична среда, аерогелът може да се използва за производство на звукопоглъщащи панели, като ефективно намалява времето за реверберация на закрито и подобрява яснотата на звука.
3. Поддръжка на катализатор
Високата специфична повърхност на аерогела осигурява голям брой места за зареждане на катализатора. При каталитични реакции в околната среда, като каталитично пречистване на автомобилни изгорели газове, каталитично окисление на промишлени отпадъчни газове и др., зареждането на катализатора върху носителя на аерогел може да подобри дисперсията и активността на катализатора, така че да катализира превръщането на вредни вещества по-ефективно и намаляване на емисиите на замърсители.
4. Опаковъчни материали за електронни устройства
Аерогеловете имат добри електроизолационни свойства и ниска диелектрична константа и могат да се използват като опаковъчни материали за електронни устройства. В електронни устройства като интегрални схеми и чипове опаковката с аерогел може да предпази електронните компоненти от фактори на околната среда като влага и прах, докато нейната ниска диелектрична константа помага за намаляване на закъсненията и загубите по време на предаване на сигнала.
източник на изображение: RSC Advances