Aerographit ist ein synthetischer Schaum, der aus einem porösen, miteinander verbundenen Netzwerk aus röhrenförmigem Kohlenstoff besteht. Mit einer Dichte von 180 g / m3 ist es eines der leichtesten Strukturmaterialien überhaupt. Es wurde gemeinsam von einem Forscherteam der Universität Kiel und der Technischen Universität Hamburg entwickelt und erstmals im Juni 2012 in einer Fachzeitschrift veröffentlicht.
Struktur und Eigenschaften
Aerographite ist ein schwarzes freistehendes Material, das in verschiedenen Formen hergestellt werden kann, die ein Volumen von bis zu mehreren Kubikzentimetern einnehmen. Es besteht aus einem nahtlos miteinander verbundenen Netzwerk von Kohlenstoffröhren mit einem Durchmesser im Mikrometermaßstab und einer Wanddicke von etwa 15 nm. Wegen der relativ geringeren Krümmung und größeren Wandstärke unterscheiden sich diese Wände von den graphenartigen Schalen von Kohlenstoff-Nanoröhren und ähneln in ihren Eigenschaften glasartigem Kohlenstoff. Diese Wände sind oft diskontinuierlich und enthalten Faltenbereiche, die die elastischen Eigenschaften von Aerographit verbessern. Die Kohlenstoffbindung in Aerographit hat einen sp2-Charakter, was durch Elektronenenergieverlustspektroskopie und Messungen der elektrischen Leitfähigkeit bestätigt wird. Bei äußerer Kompression nimmt die Leitfähigkeit zusammen mit der Materialdichte von 0,2 S / m bei 0,18 mg / cm3 auf 0,8 S / m bei 0,2 mg / cm3 zu. Die Leitfähigkeit ist für ein dichteres Material höher, 37 S / m bei 50 mg / cm³.
Aufgrund seiner miteinander verbundenen röhrenförmigen Netzwerkstruktur widersteht Aerographit Zugkräften viel besser als andere Kohlenstoffschäume sowie Kieselsäureaerogele. Es unterliegt ausgedehnten elastischen Deformationen und hat eine sehr niedrige Poisson-Zahl. Eine vollständige Formwiederherstellung einer 3 mm hohen Probe, nachdem sie auf 0,1 mm komprimiert wurde, ist möglich. Seine Reißfestigkeit (UTS) hängt von der Materialdichte ab und beträgt etwa 160 kPa bei 8,5 mg / cm³ und 1 kPa bei 0,18 mg / cm³; im Vergleich dazu haben die stärksten Silica-Aerogele eine UTS von 16 kPa bei 100 mg / cm³. Der Elastizitätsmodul beträgt ca. 15 kPa bei einer Zugspannung von 0,2 mg / cm³, aber eine viel geringere Kompression, die von 1 kPa bei 0,2 mg / cm³ auf 7 kPa bei 15 mg / cm³ zunimmt. Die von den Autoren angegebene Dichte basiert auf einer Massenmessung und der Bestimmung des äußeren Volumens der synthetischen Schäume, wie sie üblicherweise auch für andere Strukturen durchgeführt werden.
Aerographit ist superhydrophob, daher sind seine zentimetergroßen Proben wasserabweisend; Sie sind auch gegenüber elektrostatischen Effekten empfindlich und springen spontan zu geladenen Objekten.
Synthese
Gemeinsame Aspekte der Synthese:
Mit dem CVD-Verfahren des Aerografiten wurde 2012 gezeigt, dass Metalloxide eine geeignete Vorlage für die Abscheidung graphitischer Strukturen darstellen. Die Vorlagen können in situ entfernt werden. Grundlegender Mechanismus ist die Reduktion von Metalloxid zu einem metallischen Bestandteil, die Keimbildung von Kohlenstoff in und auf Metall und die gleichzeitige Verdampfung von Metallkomponenten. Anforderungen an die Metalloxide sind: eine niedrige Aktivierungsenergie für die chemische Reduktion, eine Metallphase, die Graphit nukleieren kann, ein niedriger Verdampfungspunkt der Metallphase (ZnO, SnO). Aus technischer Sicht ermöglicht das entwickelte CVD-Verfahren die Verwendung von Keramikpulververarbeitung (Verwendung von maßgeschneiderten Partikeln und Sinterbrücken) zur Erzeugung von Vorlagen für 3D-Kohlenstoff mittels CVD. Wesentliche Vorteile gegenüber gebräuchlichen Metallschablonen sind: Formvielfalt der Partikelformen, Bildung von Sinterbrücken und die Entfernung ohne Säuren. Ursprünglich wurde der CVD-Mechanismus auf nur wenige μm großen Meshed-Graphit-Netzwerken demonstriert und wurde nach 2014 von anderen Wissenschaftlern angenommen, um nm-große Kohlenstoffstrukturen zu erzeugen.
Referenzspezifische Details:
Aerographit wird durch chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung einer ZnO-Schablone hergestellt. Die Schablone besteht aus Mikron-dicken Stäben, oft in Form von Multipoden, die synthetisiert werden können, indem vergleichbare Mengen an Zn- und Polyvinylbutyral-Pulver gemischt und die Mischung bei 900ºC erhitzt wird. Die Aerographitsynthese wird bei ~ 760ºC unter einem Argongasstrom durchgeführt, in den Toluoldämpfe als Kohlenstoffquelle injiziert werden. Eine dünne (~ 15 nm) diskontinuierliche Kohlenstoffschicht wird auf ZnO abgeschieden, die dann durch Zugabe von Wasserstoffgas zu der Reaktionskammer weggeätzt wird. Somit folgt das verbleibende Kohlenstoffnetzwerk eng der Morphologie der ursprünglichen ZnO-Vorlage. Insbesondere stammen die Knoten des Aerographitenetzwerks aus den Verbindungen der ZnO-Multipoden.
Anwendungsmöglichkeiten
Aerographit-Elektroden wurden in einem elektrischen Doppelschichtkondensator (EDLC, auch als Superkondensator bezeichnet) getestet und ertragen die mechanischen Schocks, die mit Lade-Entlade-Zyklen und der Kristallisation des Elektrolyten (die beim Verdampfen des Lösungsmittels auftritt) in Zusammenhang stehen. Ihre spezifische Energie von 1,25 Wh / kg ist vergleichbar mit der von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden (~ 2,3 Wh / kg).