Aerographite é uma espuma sintética constituída por uma rede interligada porosa de carbono tubular. Com uma densidade de 180 g / m3, é um dos materiais estruturais mais leves já criados. Foi desenvolvido em conjunto por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Kiel e da Universidade Técnica de Hamburgo, na Alemanha, e foi relatado pela primeira vez em uma revista científica em junho de 2012.
Estrutura e propriedades
Aerographite é um material preto autônomo que pode ser produzido em várias formas, ocupando um volume de até vários centímetros cúbicos. Consiste em uma rede interconectada e sem costura de tubos de carbono que possuem diâmetros em escala de micrômetros e uma espessura de parede de cerca de 15 nm. Por causa da curvatura relativamente menor e da espessura de parede maior, essas paredes diferem das cascas semelhantes a grafeno dos nanotubos de carbono e se assemelham ao carbono vítreo em suas propriedades. Essas paredes são frequentemente descontínuas e contêm áreas enrugadas que melhoram as propriedades elásticas do aerógrafo. A ligação de carbono no aerógrafo tem um caráter sp2, como confirmado por espectroscopia de perda de energia de elétrons e medições de condutividade elétrica. Após a compressão externa, a condutividade aumenta, juntamente com a densidade do material, de ~ 0,2 S / ma 0,18 mg / cm3 para 0,8 S / m a 0,2 mg / cm3. A condutividade é maior para um material mais denso, 37 S / ma 50 mg / cm3.
Devido à sua estrutura de rede tubular interligada, o aerógrafo resiste às forças de tração muito melhor do que outras espumas de carbono, bem como aos aerogéis de sílica. Sustenta extensas deformações elásticas e tem um coeficiente de Poisson muito baixo. Uma recuperação completa da forma de uma amostra com 3 mm de altura após ser comprimida até 0,1 mm é possível. A sua resistência à tracção final (UTS) depende da densidade do material e é de cerca de 160 kPa a 8,5 mg / cm3 e 1 kPa a 0,18 mg / cm3; em comparação, os aerogéis de sílica mais fortes têm um UTS de 16 kPa a 100 mg / cm3. O módulo de Young é ca. 15 kPa a 0,2 mg / cm3 em tensão, mas é muito mais baixa em compressão, aumentando de 1 kPa a 0,2 mg / cm3 a 7 kPa a 15 mg / cm3. A densidade dada pelos autores é baseada em uma medição de massa e na determinação do volume externo das espumas sintéticas, como usualmente realizado também para outras estruturas.
Aerographite é super-hidrofóbica, assim suas amostras do tamanho de um centímetro repelem a água; eles também são bastante sensíveis a efeitos eletrostáticos e saltam espontaneamente para objetos carregados.
Síntese
Aspectos comuns da síntese:
Com o processo CVD do aerógrafo, os óxidos metálicos foram mostrados em 2012 como um modelo adequado para a deposição de estruturas grafíticas. Os modelos podem ser removidos in situ. Mecanismo básico é a redução do óxido de metal para um constituinte metálico, a nucleação de carbono dentro e sobre o metal e a evaporação simultânea do componente metálico. Os requisitos para os óxidos metálicos são: uma baixa energia de ativação para redução química, uma fase metálica, que pode nuclear a grafita, um ponto de evaporação baixo da fase metálica (ZnO, SnO). Do ponto de vista de engenharia, o processo de CVD desenvolvido permite o uso de processamento de pó de cerâmica (uso de partículas personalizadas e pontes de sinterização) para criação de modelos para carbono 3D via CVD. As principais vantagens em comparação com os modelos de metal comumente usados são: modelar a variedade de formas de partículas, criar pontes de sinterização e remover sem ácidos. Originalmente demonstrado em redes de grafite com malha de apenas um tamanho, o mecanismo de CVD foi adotado depois de 2014 por outros cientistas para criar estruturas de carbono de tamanho nanométrico.
Detalhes específicos para referência:
Aerographite é produzido por deposição de vapor químico, usando um modelo de ZnO. O molde consiste em bastonetes com espessura de micron, muitas vezes na forma de multipods, que podem ser sintetizados misturando quantidades comparáveis de pó de Zn e polivinil butiral e aquecendo a mistura a 900 ° C. A síntese do aerógrafo é realizada a ~ 760 ° C, sob um fluxo de gás argônio, para o qual os vapores de tolueno são injetados como uma fonte de carbono. Uma fina camada descontínua (~ 15 nm) de carbono é depositada em ZnO, que é então removida pela adição de gás hidrogênio à câmara de reação. Assim, a rede de carbono restante segue de perto a morfologia do modelo original de ZnO. Em particular, os nós da rede de aerógrafos se originam das articulações dos multipods ZnO.
Aplicações potenciais
Os eletrodos Aerographite foram testados em um capacitor elétrico de camada dupla (EDLC, também conhecido como supercapacitor) e suportaram os choques mecânicos relacionados aos ciclos de carga e descarga e cristalização do eletrólito (que ocorre após a evaporação do solvente). Sua energia específica de 1,25 Wh / kg é comparável à dos eletrodos de nanotubos de carbono (~ 2,3 Wh / kg).