Los materiales a base de carbono se utilizan ampliamente en muchos campos, como el almacenamiento de energía, las ciencias ambientales y la química de materiales. En las últimas décadas, muchos académicos nacionales y extranjeros han desarrollado con éxito una rica variedad de materiales emergentes basados en carbono, como biocarbón, grafeno, óxido de grafeno (GO), nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, esferas de carbono, aerogeles de carbono, nitrógeno. -carbono dopado y nitruro de carbono en fase grafito. Aerogel es un tipo de nuevo material sólido con estructura porosa ultrafina y baja densidad. Desde su nacimiento en 1931, siempre ha atraído una gran atención. Con el paso continuo del tiempo, los investigadores continúan explorando y optimizando los métodos de preparación del aerogel, desde el aerogel de sílice inorgánico inicial desarrollado gradualmente hasta el aerogel orgánico y luego extendido al aerogel de carbono y, en consecuencia, el rango de aplicación del aerogel también continúa aumentando. expandir.
Los aerogeles a base de carbono son un nuevo tipo de materiales de carbono nanoporosos obtenidos por carbonización a alta temperatura en un ambiente de gas inerte, utilizando aerogeles orgánicos como precursores. Tienen la doble característica de los aerogeles y los materiales a base de carbono. Debido a su baja densidad, alta superficie específica y alta porosidad, el aerogel a base de carbono se ha utilizado ampliamente en almacenamiento de energía, adsorción, sensores, blindaje electromagnético y absorción.
Fuente de la imagen: Journal of Colloid and Interface Science
Clasificación de aerogeles a base de carbono:
Según la diferencia de fuentes de materia prima, los aerogeles de carbono se pueden dividir aproximadamente en tres categorías: aerogeles de carbono a base de grafito, aerogeles de carbono orgánico y aerogeles compuestos de carbono.
Para los aerogeles de carbono a base de grafito, como los aerogeles de grafeno y los aerogeles de nanotubos de carbono, los materiales de grafito-carbono se combinan directamente en estructuras de aerogel tridimensionales mediante procesos de ensamblaje adecuados. Debido a su alta conductividad eléctrica, estos materiales de aerogel de carbono se utilizan ampliamente en una variedad de dispositivos y sensores electrónicos.
El material precursor del aerogel de carbono orgánico pertenece a la materia orgánica, que se transforma en material de carbono después del proceso de carbonización a alta temperatura, y luego se construye una estructura porosa tridimensional con la ayuda del proceso de ensamblaje. Estos aerogeles a base de carbono se pueden subdividir en aerogeles de carbono de biomasa y aerogeles de carbono a base de polímeros. Debido a sus excelentes propiedades de adsorción y características estructurales únicas, tienen un amplio potencial de aplicación y desarrollo en los campos de la protección ambiental y la energía.
El aerogel compuesto de carbono es una tendencia de desarrollo muy importante en el campo del aerogel a base de carbono en los últimos años. Al introducir grupos orgánicos o polímeros, la proporción entre componentes se puede ajustar y controlar, y luego se pueden optimizar los problemas de los materiales de aerogel a base de carbono de un solo componente, como mayor fragilidad, fácil humedad, poca flexibilidad, etc. Si bien mantienen excelentes propiedades, los aerogeles compuestos de carbono logran una complementariedad funcional entre diferentes materiales, lo que abre un espacio más amplio para la aplicación de aerogeles a base de carbono.
Preparación de aerogel a base de carbono:
La preparación de aerogel a base de carbono generalmente incluye los siguientes tres pasos: (1) solación del precursor, gelificación del sol y envejecimiento; ② El gel se seca y se convierte en aerogel; ③ Carbonización de aerogel para obtener aerogel a base de carbono. El aerogel a base de carbono ha demostrado un buen rendimiento en muchas aplicaciones, pero el complejo proceso de preparación, el alto costo y el bajo rendimiento limitan su aplicación práctica. Los métodos de preparación de materiales de aerogel a base de carbono incluyen principalmente el método sol-gel, el método hidrotermal, el método de deposición química de vapor y el método de plantilla de hielo.
Aplicación de aerogel a base de carbono:
El aerogel a base de carbono es un tipo de material de carbono amorfo, ligero y poroso con una estructura nanoporosa. El aerogel a base de carbono tiene un importante valor de aplicación en los campos clave del almacenamiento de energía electroquímica, catalizadores y sus portadores, defensa nacional, industria militar y protección del medio ambiente.
1.Aislamiento térmico para baterías calientes y supercondensadores.
En los equipos de almacenamiento de energía, la temperatura tiene un gran impacto en su rendimiento y vida útil. El aerogel se puede utilizar como material de aislamiento térmico para baterías calientes y supercondensadores, evitando que el calor se transfiera demasiado rápido dentro de la batería o el condensador y manteniendo la estabilidad de la temperatura de funcionamiento del equipo, mejorando así el rendimiento y la seguridad del equipo.
2.Material absorbente de sonido
La estructura porosa del aerogel le confiere buenas propiedades de absorción acústica. Cuando las ondas sonoras se propagan en los poros del aerogel, se reflejarán y dispersarán muchas veces, de modo que la energía sonora seguirá decayendo. En salas de conciertos, estudios de grabación y otros lugares con altos requisitos ambientales acústicos, el aerogel se puede utilizar para fabricar paneles absorbentes de sonido, reduciendo efectivamente el tiempo de reverberación interior y mejorando la claridad del sonido.
3.Soporte catalizador
La alta superficie específica del aerogel proporciona una gran cantidad de sitios de carga para el catalizador. En reacciones catalíticas ambientales, como la purificación catalítica de gases de escape de automóviles, la oxidación catalítica de gases residuales industriales, etc., cargar el catalizador en el portador de aerogel puede mejorar la dispersión y la actividad del catalizador, para catalizar la conversión de sustancias nocivas. más eficazmente y reducir la emisión de contaminantes.
4.Materiales de embalaje para dispositivos electrónicos.
Los aerogeles tienen buenas propiedades de aislamiento eléctrico y una constante dieléctrica baja, y pueden usarse como materiales de embalaje para dispositivos electrónicos. En dispositivos electrónicos como circuitos integrados y chips, el embalaje de aerogel puede proteger los componentes electrónicos de factores ambientales como la humedad y el polvo, mientras que su baja constante dieléctrica ayuda a reducir retrasos y pérdidas durante la transmisión de señales.
fuente de la imagen: Avances de RSC