Materialien auf Kohlenstoffbasis werden in vielen Bereichen wie Energiespeicherung, Umweltwissenschaften und Materialchemie häufig eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten haben viele Wissenschaftler im In- und Ausland erfolgreich eine Vielzahl neuer kohlenstoffbasierter Materialien entwickelt, wie z. B. Biokohle, Graphen, Graphenoxid (GO), Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoffkugeln, Kohlenstoff-Aerogele und Stickstoff -dotiertes Kohlenstoff- und Graphitphasen-Kohlenstoffnitrid. Aerogel ist eine Art neuer Feststoff mit ultrafeiner poröser Struktur und geringer Dichte. Seit seiner Gründung im Jahr 1931 hat es stets große Aufmerksamkeit erregt. Im Laufe der Zeit erforschen und optimieren Forscher weiterhin die Herstellungsmethoden von Aerogelen, angefangen beim anfänglichen anorganischen Silica-Aerogel, das sich schrittweise zum organischen Aerogel entwickelte und dann auf Kohlenstoff-Aerogel ausdehnte, und dementsprechend erweitert sich auch der Anwendungsbereich von Aerogelen expandieren.
Kohlenstoffbasierte Aerogele sind eine neue Art nanoporöser Kohlenstoffmaterialien, die durch Karbonisierung bei hoher Temperatur in einer Inertgasumgebung unter Verwendung organischer Aerogele als Vorläufer gewonnen werden. Sie haben die doppelten Eigenschaften von Aerogelen und kohlenstoffbasierten Materialien. Aufgrund seiner geringen Dichte, seiner hohen spezifischen Oberfläche und seiner hohen Porosität wird kohlenstoffbasiertes Aerogel häufig in den Bereichen Energiespeicherung, Adsorption, Sensorik, elektromagnetische Abschirmung und Absorption eingesetzt.
Bildquelle:Journal of Colloid and Interface Science
Klassifizierung kohlenstoffbasierter Aerogele:
Aufgrund der unterschiedlichen Rohstoffquellen lassen sich Kohlenstoff-Aerogele grob in drei Kategorien einteilen: Kohlenstoff-Aerogele auf Graphitbasis, organische Kohlenstoff-Aerogele und Kohlenstoff-Verbund-Aerogele.
Bei graphitbasierten Kohlenstoff-Aerogelen, wie etwa Graphen-Aerogelen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Aerogelen, werden Graphit-Kohlenstoff-Materialien mithilfe geeigneter Montageprozesse direkt zu dreidimensionalen Aerogelstrukturen kombiniert. Aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit werden diese Kohlenstoff-Aerogel-Materialien häufig in einer Vielzahl elektronischer Geräte und Sensoren eingesetzt.
Das Vorläufermaterial des organischen Kohlenstoff-Aerogels gehört zu den organischen Stoffen, die nach einem Hochtemperatur-Karbonisierungsprozess in Kohlenstoffmaterial umgewandelt werden und anschließend mithilfe eines Montageprozesses eine dreidimensionale poröse Struktur aufgebaut wird. Diese kohlenstoffbasierten Aerogele können in Biomasse-Kohlenstoff-Aerogele und polymerbasierte Kohlenstoff-Aerogele unterteilt werden. Aufgrund ihrer hervorragenden Adsorptionseigenschaften und einzigartigen Struktureigenschaften verfügen sie über ein breites Anwendungs- und Entwicklungspotenzial in den Bereichen Umweltschutz und Energie.
Kohlenstoffverbundaerogel ist in den letzten Jahren ein sehr wichtiger Entwicklungstrend im Bereich kohlenstoffbasierter Aerogele. Durch die Einführung organischer Gruppen oder Polymere kann das Verhältnis zwischen den Komponenten angepasst und kontrolliert werden, und dann können die Probleme von Einzelkomponenten-Aerogelmaterialien auf Kohlenstoffbasis wie größere Sprödigkeit, leichte Feuchtigkeit, schlechte Flexibilität usw. optimiert werden. Unter Beibehaltung hervorragender Eigenschaften erzielen Kohlenstoffverbund-Aerogele eine funktionelle Komplementarität zwischen verschiedenen Materialien, was einen breiteren Anwendungsbereich für kohlenstoffbasierte Aerogele eröffnet.
Herstellung von Aerogel auf Kohlenstoffbasis:
Die Herstellung von kohlenstoffbasiertem Aerogel umfasst normalerweise die folgenden drei Schritte: (1) Solierung des Vorläufers, Solgelierung und Alterung; ② Das Gel trocknet zu Aerogel; ③ Karbonisierung von Aerogel, um kohlenstoffbasiertes Aerogel zu erhalten. Kohlenstoffbasiertes Aerogel hat in vielen Anwendungen eine gute Leistung gezeigt, aber der komplexe Herstellungsprozess, die hohen Kosten und die geringe Ausbeute schränken seine praktische Anwendung ein. Zu den Herstellungsmethoden für kohlenstoffbasierte Aerogelmaterialien gehören hauptsächlich die Sol-Gel-Methode, die hydrothermale Methode, die chemische Gasphasenabscheidungsmethode und die Eisschablonenmethode.
Anwendung von kohlenstoffbasiertem Aerogel:
Aerogel auf Kohlenstoffbasis ist eine Art leichtes, poröses, amorphes Kohlenstoffmaterial mit nanoporöser Struktur. Kohlenstoffbasiertes Aerogel hat einen wichtigen Anwendungswert in den Schlüsselbereichen der elektrochemischen Energiespeicherung, des Katalysators und seiner Träger, der nationalen Verteidigungs- und Militärindustrie sowie des Umweltschutzes.
1.Wärmeisolierung für heiße Batterien und Superkondensatoren
Bei Energiespeichergeräten hat die Temperatur einen großen Einfluss auf deren Leistung und Lebensdauer. Aerogel kann als Wärmeisolationsmaterial für heiße Batterien und Superkondensatoren verwendet werden, um eine zu schnelle Wärmeübertragung innerhalb der Batterie oder des Kondensators zu verhindern und die Stabilität der Betriebstemperatur des Geräts aufrechtzuerhalten, wodurch die Leistung und Sicherheit des Geräts verbessert wird.
2. Schallabsorbierendes Material
Die poröse Struktur von Aerogel verleiht ihm gute schallabsorbierende Eigenschaften. Wenn sich Schallwellen in den Poren des Aerogels ausbreiten, werden sie viele Male reflektiert und gestreut, sodass die Schallenergie weiter abnimmt. In Konzertsälen, Aufnahmestudios und anderen Orten mit hohen Anforderungen an die akustische Umgebung kann Aerogel zur Herstellung schallabsorbierender Platten verwendet werden, wodurch die Nachhallzeit in Innenräumen effektiv verkürzt und die Klangklarheit verbessert wird.
3.Catalyst-Unterstützung
Die hohe spezifische Oberfläche von Aerogel bietet eine große Anzahl von Beladungsstellen für den Katalysator. Bei katalytischen Umweltreaktionen, wie der katalytischen Reinigung von Autoabgasen, der katalytischen Oxidation von Industrieabgasen usw., kann die Beladung des Katalysators auf dem Aerogelträger die Dispersion und Aktivität des Katalysators verbessern, um so die Umwandlung schädlicher Substanzen zu katalysieren effektiver arbeiten und den Schadstoffausstoß reduzieren.
4. Verpackungsmaterialien für elektronische Geräte
Aerogele haben gute elektrische Isolationseigenschaften und eine niedrige Dielektrizitätskonstante und können als Verpackungsmaterialien für elektronische Geräte verwendet werden. In elektronischen Geräten wie integrierten Schaltkreisen und Chips können Aerogel-Verpackungen elektronische Komponenten vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Staub schützen, während ihre niedrige Dielektrizitätskonstante dazu beiträgt, Verzögerungen und Verluste bei der Signalübertragung zu reduzieren.
Bildquelle: RSC Advances