Аэрографит

Aerographite — синтетическая пена, состоящая из пористой взаимосвязанной сети трубчатого углерода. С плотностью 180 г / м3 это один из самых легких конструкционных материалов, когда-либо созданных. Он был разработан совместно группой исследователей из Кильского университета и Технического университета Гамбурга в Германии и впервые был опубликован в научном журнале в июне 2012 года.

Структура и свойства
Aerographite — это черный автономный материал, который может изготавливаться различной формы, занимая объем до нескольких кубических сантиметров. Он состоит из бесшовной взаимозависимой сети углеродных труб, имеющих диаметры микронной шкалы и толщины стенки около 15 нм. Из-за относительно более низкой кривизны и большей толщины стенки эти стенки отличаются от графеноподобных оболочек углеродных нанотрубок и напоминают стекловидный углерод по своим свойствам. Эти стены часто прерывистые и содержат морщинистые области, которые улучшают упругие свойства аэрографа. Углеродная связь в аэрографе имеет характер sp2, что подтверждается спектроскопией потерь энергии электронов и измерениями электропроводности. При внешнем сжатии электропроводность увеличивается вместе с плотностью материала от ~ 0,2 S / m при 0,18 мг / см3 до 0,8 S / м при 0,2 мг / см3. Проводимость выше для более плотного материала, 37 S / м при 50 мг / см3.

Благодаря своей взаимосвязанной структуре трубчатой ​​сети, аэрографит сопротивляется растягивающим усилиям намного лучше, чем другие углеродные пены, а также аэрогели кремния. Он поддерживает обширные упругие деформации и имеет очень низкое отношение Пуассона. Возможно полное восстановление формы образца диаметром 3 мм после его сжатия до 0,1 мм. Его предельная прочность на растяжение (UTS) зависит от плотности материала и составляет около 160 кПа при 8,5 мг / см3 и 1 кПа при 0,18 мг / см3; в сравнении, самые сильные аэрогели кремния имеют ОТС 16 кПа при 100 мг / см3. Модуль Юнга ок. 15 кПа при напряжении 0,2 мг / см3, но значительно ниже при сжатии, увеличиваясь от 1 кПа при 0,2 мг / см3 до 7 кПа при 15 мг / см3. Плотность, заданная авторами, основана на измерении массы и определении внешнего объема синтетических пенопластов, как это обычно делается для других структур.

Аэрографит является супергидрофобным, поэтому его сантиметровые образцы отталкивают воду; они также весьма чувствительны к электростатическим эффектам и спонтанно переходят на заряженные объекты.

Синтез

Общие аспекты синтеза:
С помощью процесса аэрографа CVD оксиды металлов были показаны в 2012 году как подходящая матрица для осаждения графитовых структур. Шаблоны могут быть удалены на месте. Основным механизмом является восстановление оксида металла до металлического компонента, зарождение углерода внутри и поверх металла и одновременное испарение металлического компонента. Требования к оксидам металлов: низкая энергия активации для химического восстановления, металлическая фаза, которая может зародить графит, низкую точку испарения металлической фазы (ZnO, SnO). С технической точки зрения разработанный CVD-процесс позволяет использовать керамическую обработку порошка (использование специальных частиц и спекающих мостов) для создания шаблонов для 3D-углерода с помощью CVD. Основными преимуществами по сравнению с обычно используемыми металлическими шаблонами являются: форма формы частиц, создание спекающих мостов и удаление без кислот. Первоначально он был продемонстрирован только на сетчатых сетчатых сетях с размером μm, механизм CVD был принят после 2014 года другими учеными для создания углеродных структур с размером нм.

Детали, специфичные для ссылки:
Аэрографит производится химическим осаждением из паровой фазы с использованием шаблона ZnO. Шаблон состоит из толстолистовых стержней, часто в форме многообразных, которые могут быть синтезированы путем смешивания сравнимых количеств Zn и поливинилбутиральных порошков и нагревания смеси при 900 ° C. Синтез аэрографита осуществляется при ~ 760 ° С под потоком аргона, к которому впрыскиваются пары толуола в качестве источника углерода. Тонкий (~ 15 нм), прерывистый слой углерода осаждается на ZnO, который затем вытравливается путем добавления газообразного водорода в реакционную камеру. Таким образом, оставшаяся углеродная сеть внимательно следит за морфологией исходного шаблона ZnO. В частности, узлы аэрографической сети происходят из суставов многоточечных ZnO.

Потенциальные приложения
Аэрогелевые электроды были испытаны в электрическом двухслойном конденсаторе (EDLC, также известном как суперконденсатор) и выдерживали механические удары, связанные с циклами погрузки-разгрузки и кристаллизацией электролита (что происходит при испарении растворителя). Их удельная энергия 1,25 Вт / кг сравнима с удельной энергией электродов с углеродными нанотрубками (~ 2,3 Втч / кг).