Aerographite

Aerographite est une mousse synthétique constituée d’un réseau de carbone tubulaire interconnecté et poreux. Avec une densité de 180 g / m3, il est l’un des matériaux structurels les plus légers jamais créés. Il a été développé conjointement par une équipe de chercheurs de l’Université de Kiel et de l’Université technique de Hambourg, en Allemagne, et a été publié pour la première fois dans un journal scientifique en juin 2012.

Structure et propriétés
Aerographite est un matériau autoportant noir qui peut être produit sous différentes formes et occupant un volume pouvant atteindre plusieurs centimètres cubes. Il s’agit d’un réseau de tubes en carbone interconnectés sans soudure, de diamètres micrométriques et d’une épaisseur de paroi d’environ 15 nm. En raison de la courbure relativement faible et de l’épaisseur de paroi plus importante, ces parois diffèrent des couches de nanotubes de carbone de type graphène et ressemblent au carbone vitreux par leurs propriétés. Ces parois sont souvent discontinues et contiennent des zones ridées qui améliorent les propriétés élastiques de l’aérographite. La liaison du carbone dans l’aérographite a un caractère sp2, comme le confirment la spectroscopie de perte d’énergie électronique et les mesures de conductivité électrique. Lors de la compression externe, la conductivité augmente, avec la densité du matériau, d’environ 0,2 S / m à 0,18 mg / cm3 à 0,8 S / m à 0,2 mg / cm3. La conductivité est plus élevée pour un matériau plus dense, 37 S / m à 50 mg / cm3.

Grâce à sa structure en réseau tubulaire interconnecté, l’aérographite résiste beaucoup mieux aux forces de traction que les autres mousses de carbone ainsi que les aérogels de silice. Il subit d’importantes déformations élastiques et a un coefficient de Poisson très faible. Une récupération complète de la forme d’un échantillon de 3 mm de hauteur après sa compression jusqu’à 0,1 mm est possible. Sa résistance ultime à la traction (UTS) dépend de la densité du matériau et est d’environ 160 kPa à 8,5 mg / cm3 et 1 kPa à 0,18 mg / cm3; en comparaison, les aérogels de silice les plus forts ont une valeur UTS de 16 kPa à 100 mg / cm3. Le module de Young est ca. 15 kPa à 0,2 mg / cm3 en tension, mais est beaucoup plus faible en compression, passant de 1 kPa à 0,2 mg / cm3 à 7 kPa à 15 mg / cm3. La masse volumique donnée par les auteurs repose sur une mesure de masse et la détermination du volume extérieur des mousses synthétiques, comme il est habituellement effectué pour d’autres structures.

L’aérographite est superhydrophobe, ainsi ses échantillons de la taille d’un centimètre repoussent l’eau; ils sont également plutôt sensibles aux effets électrostatiques et sautent spontanément vers des objets chargés.

La synthèse

Aspects communs de la synthèse:
Avec le procédé CVD de l’aérographite, il avait été démontré en 2012 que les oxydes de métaux étaient un modèle approprié pour le dépôt de structures graphitiques. Les modèles peuvent être supprimés in situ. Le mécanisme fondamental est la réduction de l’oxyde métallique en un constituant métallique, la nucléation du carbone dans et sur le métal et l’évaporation simultanée du composant métallique. Les exigences pour les oxydes métalliques sont: une faible énergie d’activation pour la réduction chimique, une phase métallique pouvant nucléer le graphite, un faible point d’évaporation de la phase métallique (ZnO, SnO). Du point de vue de l’ingénierie, le processus CVD développé permet l’utilisation du traitement des poudres céramiques (utilisation de particules personnalisées et de ponts de frittage) pour la création de modèles de carbone 3D via CVD. Les principaux avantages par rapport aux gabarits métalliques couramment utilisés sont les suivants: variété de formes de particules, création de ponts de frittage et élimination sans acides. Démontré à l’origine sur des réseaux de graphite maillé de taille µm, le mécanisme de CVD avait été adopté après 2014 par d’autres scientifiques pour créer des structures de carbone de taille nm.

Détails spécifiques à la référence:
L’aérographite est produit par dépôt chimique en phase vapeur en utilisant un gabarit en ZnO. Le gabarit consiste en des barreaux de quelques microns d’épaisseur, souvent sous la forme de multipodes, qui peuvent être synthétisés en mélangeant des quantités comparables de poudres de Zn et de polyvinylbutyral et en chauffant le mélange à 900 ° C. La synthèse de l’aérographite est réalisée à environ 760 ° C, sous un flux de gaz argon, dans lequel des vapeurs de toluène sont injectées en tant que source de carbone. Une couche mince (~ 15 nm) de carbone discontinue est déposée sur du ZnO qui est ensuite éliminée par attaque en ajoutant de l’hydrogène gazeux à la chambre de réaction. Ainsi, le réseau de carbone restant suit de près la morphologie du modèle de ZnO d’origine. En particulier, les nœuds du réseau aerographite proviennent des liaisons des multipodes ZnO.

Applications potentielles
Les électrodes Aerographite ont été testées dans un condensateur électrique à double couche (EDLC, également appelé supercondensateur) et ont résisté aux chocs mécaniques liés aux cycles de chargement-déchargement et à la cristallisation de l’électrolyte (qui se produit lors de l’évaporation du solvant). Leur énergie spécifique de 1,25 Wh / kg est comparable à celle des électrodes à nanotubes de carbone (~ 2,3 Wh / kg).