Síntese e funcionalização de 3D Materiais Nano-grafeno Grafeno: Aerogels e grafeno Assembléias Macro

Resumo

This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

Resumo

Os esforços para montar o grafeno em estruturas monolíticos tridimensionais têm sido dificultados pelo elevado custo e baixa processabilidade do grafeno. Além disso, a maioria relatado grafene conjuntos são mantidos juntos através de interacções físicas (por exemplo, de van der Waals), em vez de ligações químicas, as quais limitam a sua resistência mecânica e condutividade. Este vídeo detalhes do método desenvolvido recentemente estratégias para fabricar materiais a granel, à base de grafeno em massa producible derivada de espumas de polímero ou óxido de grafeno única camada. Estes materiais consistem principalmente de folhas de grafeno individuais conectados através de ligantes de carbono ligação covalente. Eles manter as propriedades favoráveis ​​da grafeno tais como elevada área superficial e elevada condutividade eléctrica e térmica, combinada com morfologia de poros sintonizável e excepcional resistência mecânica e elasticidade. Este método sintético flexível pode ser estendido para o fabrico de nanotubo de polímero / carbono (CNT) umd polímero / óxido de grafeno (GO) materiais compósitos. Além disso, a funcionalização adicional de pós-sintética com antraquinona é descrito, o qual permite um aumento dramático no desempenho em aplicações de armazenamento de carga supercapacitores.

Introdução

Uma vez que o isolamento de grafeno em 2004, ^um interesse na exploração suas propriedades únicas conduziu a um intenso esforço dirigido para montagem em grafeno, estruturas monolíticas tridimensionais que retêm as propriedades de folhas de grafeno individuais. ^2-5 Estes esforços têm sido dificultados pela facto de a própria grafeno é caro e demorado para produzir e tende a agregar em solução, o que limita a escalabilidade de materiais à base de blocos de construção de grafene. Além disso, os conjuntos de grafene são tipicamente constituídos por interacções físicas de reticulação (por exemplo, van der Walls forças) entre as folhas de grafeno individuais, que são muito menos condutora e mecanicamente robusto do que títulos ligações cruzadas químicas. Lawrence Livermore National Laboratory tem estado envolvido no desenvolvimento de novos materiais porosos, de carbono de baixa densidade desde os anos 1980. ⁶ Várias estratégias foram identificados para fabricar massa produ-baseados em grafeno materiais a granel monolíticos cible de ambas as espumas de baixo custo derivado de polímero de carbono, que são chamados aerogels grafeno ^(AGs), 7, bem como por cross-linking direta de óxido de grafeno (GO) folhas, que são chamados de grafeno macro- montagens (GMAs). ^8,9 Esses área de superfície de materiais a granel muito altas têm condutividade elétrica e térmica elevadas, excepcional resistência mecânica e elasticidade, e morfologias sintonizável poros. Gás e GMAs encontraram utilidade em numerosas aplicações, incluindo materiais de eletrodo em supercapacitores e baterias recarregáveis, catalisador avançado suporta, adsorventes, isolamento térmico, sensores e dessalinização. ¹⁰

A síntese de aerogeles grafene começa com a polimerização de sol-gel de uma solução aquosa de resorcinol e formaldeído para produzir geles orgânicos altamente reticulados. Estes geles são lavadas com água e acetona, em seguida, secou-se utilizando _CO2 supercrítico e pirolisada em um iatmosfera nert para dar aerogéis de carbono com relativamente baixa área de superfície e volume de poros. Aerogeles de carbono são activadas por remoção controlada de átomos de carbono sob condições de oxidação suave (por exemplo, CO ₂₎ para formar um material reticulado composta de ambos os nanoplatelets carbono e de grafite amorfo, com maior área de superfície e a morfologia de poros abertos. ⁷ Uma vantagem única de a síntese de sol-gel é que o gás possa ser fabricada numa variedade de formas, incluindo monólitos e filmes finos, dependendo das necessidades da aplicação. Os nanotubos de carbono ^{11 e / ou} folhas de grafeno ¹² pode ser integrado em gás através da inclusão desses aditivos na solução precursora sol-gel. Isto gera estruturas de compósitos em que o aditivo se torna uma parte da estrutura da rede de carbono primário. Além disso, o quadro pode ser funcionalizado GA após carbonização / activação, quer através da modificação da superfície de aerogel ou através da deposição de materiais,por exemplo catalisador nanopartículas, sobre a estrutura quadro. ¹³

Grafene macro-conjuntos (GMAs) são preparados por directamente de reticulação óxido suspendeu grafeno (GO) folhas, tirando partido da sua funcionalidade química inerente. ^{9 folhas} GO contêm uma variedade de grupos funcionais, incluindo epóxido e porções de hidróxido, que pode servir como sítios de ligação cruzada químicos. Como na preparação de GA, montado GMAs são super-criticamente seco para preservar a rede porosa, em seguida pirolizado para reduzir as ligações cruzadas químicas em pontes de carbono condutoras que proporcionam um suporte estrutural para a montagem. Devido às pontes covalentes de carbono entre folhas grafene, GMAs têm condutividades eléctricas e rigidez mecânica, que são ordens de grandeza mais elevada do que os conjuntos de grafene formados com ligação cruzada física. Além disso, GMAs têm áreas de superfície que se aproximam do valor teórico de uma única folha de grafeno. Post-sintético t térmicaratamento, a temperaturas elevadas (> 1050 ° C) pode melhorar significativamente a cristalinidade do GMAs, levando condutividades para ainda mais elevadas e módulos de Young, bem como resistência à oxidação térmica melhor. tratamento químico ¹⁴ pós-sintética de GMAs com moléculas orgânicas redox-activo, tal como antraquinona pode aumentar a capacidade de armazenamento de carga em aplicações supercapacitor. ¹⁵

As propriedades do material sintonizável de gás e GMAs são, em parte, resultado de vários cuidadosamente condições sintéticos, tais como concentração de reagentes e catalisador, tempo de cura e temperatura, condições de secagem e processos de carbonização / ativação. ¹⁶ Este protocolo vídeo detalhado visa resolver as ambiguidades nos métodos publicados, e para orientar os investigadores que tentam reproduzir os materiais e condições.

Protocolo

1. resorcinol-formaldeído (RF) Derivado grafeno Aerogels

1. _Na 2 _CO 3 catalisadas aerogel de carbono (11% de sólidos, o CRF)
   1. Em um frasco de cintilação de 40 ml, adicionar água desionizada (7,1 ml) ao resorcinol (0,625 g, 5,68 mmol) e mistura-se num vórtex durante 1 minuto. Esmagar pedaços grandes resorcinol a pó utilizando um almofariz e pilão antes da adição de água. Note-se que eles não podem dissolver-se completamente até ao passo seguinte.
   2. Adicionar solução de formaldeído a 37% (0,900 g, 11,4 mmol) à suspensão de resorcinol e vortex durante 1 min.
   3. Adicionar carbonato de sódio (0,003 g, 0,028 mmol) à mistura de reacção e agitar com vortex durante 1 min.
   4. Transferir a mistura reaccional para moldes de vidro, que podem ser fechados hermeticamente fechada (por exemplo, tubo de ensaio de vidro ou lâminas que são separadas por uma junta de silicone) que definem a forma da parte sólida resultante.
   5. Colocar os moldes fechados em um forno de 80 ° C e curar durante 72 horas.
   6. Após a cura, remover o Solmonólitos de ID a partir do molde de vidro e lavar com água para remover os materiais de partida não reagidos e de catalisador residual. Normalmente eu executo 3 x 12 lavagens hr com DI fresco H _{2 O.} O material está agora pronto para secagem.
2. Ácido acético catalisado aerogel de carbono (AARF) ¹⁷
   1. Em um frasco de cintilação de 40 ml, adicionar água desionizada (15 ml) para resorcinol (12,3 g, 0,112 mol) e mistura-se num vórtex durante 1 minuto. Esmagar pedaços grandes resorcinol a pó utilizando um almofariz e pilão antes da adição de água. Note-se que eles não podem dissolver-se completamente até ao passo seguinte.
   2. Adicionar solução de formaldeído a 37% (17,9 g, 0,224 mol) à suspensão de resorcinol e vortex durante 1 min.
   3. Adicionar ácido acético glacial (0,44 g, 0,007 mol) à mistura de reacção e agitar com vortex durante 1 min.
   4. Transferir a mistura reaccional para moldes de vidro, que pode ser selado estanque ao ar (por exemplo, tubo de ensaio ou placas de vidro que estão separadas por uma junta de silicone), que definem a forma do resulting parte sólida.
   5. Colocar os moldes fechados em um forno de 80 ° C e curar durante 72 horas.
   6. Após a cura, os monólitos remover sólidos a partir do molde de vidro e lava-se com água para remover os materiais de partida não reagidos e de catalisador residual. Normalmente eu executo 3 x 12 lavagens hr com DI fresco H _{2 O.} O material está agora pronto para secagem.
3. Aditivos de carbono para a solução precursora RF (CNT, GO)
   1. Nanotubos de carbono / RF composto ¹¹
      1. Suspender 1% em peso de carbono de parede única nano-tubos em água deionizada e dispersar completamente usando um banho de ultra-sons (90 W de potência sonora, a frequência de 40 kHz).
      2. Adicionar resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldeído (1,791 g, 22,1 mmol), catalisador e carbonato de sódio (5,95 mg, 0,056 mmol) a 1,5 g da dispersão CNT.
      3. Transferir a mistura reaccional para moldes de vidro, que pode ser selado estanque ao ar (por exemplo, tubo de ensaio de vidro ou lâminas que são separadas por uma junta de silicone), os quais definè A forma da parte sólida resultante.
      4. Colocar os moldes fechados em um forno de 80 ° C e curar durante 72 horas.
      5. Após a cura, os monólitos remover sólidos a partir do molde de vidro e lava-se com água para remover os materiais de partida não reagidos e de catalisador residual. Normalmente executam 3 x 12 lavagens hr com DI fresco H _{2 O.} O material está agora pronto para secagem.
   2. Óxido de grafeno / RF composto ¹²
      1. Suspender um peso de óxido de grafeno% (GO, 300-800 nm de diâmetro) em água deionizada e dispersar completamente usando um banho de ultra-sons (90 W de potência sonora, a frequência de 40 kHz).
      2. Adicionar resorcinol (1,235 g, 11,2 mmol), formaldeído (1,791 g, 22,1 mmol, solução a 37%) e de catalisador de carbonato de sódio (5,95 mg, 0,056 mmol) a 1,5 g da dispersão de GO.
      3. Transferir a mistura reaccional para moldes de vidro, que pode ser selado estanque ao ar (por exemplo, tubo de ensaio ou placas de vidro que estão separadas por uma junta de silicone) que definem a forma doresultando parte sólida.
      4. Colocar os moldes fechados em um forno de 80 ° C e curar durante 72 horas.
      5. Após a cura, os monólitos remover sólidos a partir do molde de vidro e lava-se com água para remover os materiais de partida não reagidos e de catalisador residual. Normalmente executam 3 x 12 lavagens hr com DI fresco H _{2 O.} O material está agora pronto para secagem.
4. Secagem
   1. _CO2 supercrítico
      1. Preparar as amostras lavadas durante a secagem com _CO2 supercrítico através da troca o solvente _H2O com acetona. Remover a amostra do banho de água e coloque em banho contendo acetona limpa. Substitua com acetona fresca mais duas vezes em intervalos de 12 h.
      2. Carregar amostras acetona-trocadas em um aparelho de secagem supercrítica, encheu-se com acetona e com refrigerante que circula a 12-15 ° C.
      3. Selar secador supercrítico e intercâmbio com líquido _de CO 2 até há restos de acetona (24/04 h dependendo oN tamanho da amostra, densidade, morfologia de poros, etc.).
      4. Desligue o fornecimento _de CO 2 e aumentar a temperatura do líquido de arrefecimento a 55 ° C em circulação, enquanto se mantém pressão no secador supercrítico entre 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Manter a 55 ° C durante 1 h.
      5. Lentamente respiradouro de CO ₂ (2-12 horas), mantendo a temperatura do líquido de arrefecimento que circula a 55 ° C. Retirar amostras.
   2. Secagem ambiente (Xerogel)
      1. Preparar as amostras lavadas durante a secagem em condições ambientes, trocando o solvente _H2O com acetona. Remover a amostra do banho de água e coloque em banho contendo acetona limpa. Substitua com acetona fresca mais duas vezes em intervalos de 12 h.
      2. Coloque amostras trocadas com acetona em uma superfície limpa (por exemplo, bloco de Teflon). Para diminuir a taxa de evaporação do solvente para evitar rachaduras e encolhimento irregular, cobrir a amostra com um copo invertido de volume suficiente para fornecer a abundância do headspace.
      3. Permitir solvente evaporar para (24-72 h).
5. Carbonização
   1. Realizar carbonização das espumas secas a 1050 ° C sob _atmosfera de N 2. Rampa de RT a uma taxa de 5 ° C / min, e manter a 1.050 ° C durante 3 h. Note-se que as amostras finas podem precisar de ser colocado entre duas folhas de papel de grafite (ou de outro material de temperatura estável, não reactivo) com o peso em cima para evitar o enrolamento e "batata lascar."
6. Ativação
   1. Ativar uma peça de espuma de carbono AARF (2 centímetros x 3 centímetros × 4 mm, 1,2 g) para gerar nanographene 3D (3D-NG) sob fluxo de CO _{2 (10} sccm) a 950 ° C durante 5 horas. ⁷

2. O grafeno óxido de grafeno Derivados Assembléias Macro

1. NH _{4 OH} catalisada GO montagem
   1. Em um frasco de cintilação de 40 ml, adicionar água desionizada (20 ml) a 400 mg de camada única grafeno oxide (GO, 300-800 nm de diâmetro). Dispersar completamente usando um banho de ultra-sons (90 W de potência sonora, a frequência de 40 kHz) O / N.
   2. Adicionar solução concentrada _de NH4OH (0,211 ml por g de suspensão GO).
   3. Transferir para moldes de vidro, que podem ser fechados hermeticamente (por exemplo, tubo de ensaio de vidro ou lâminas que são separadas por uma junta de vedação de silicone, que define a forma da parte sólida resultante).
   4. Colocar os moldes fechados em um forno de 80 ° C e curar durante 72 horas.
   5. Após a cura, os monólitos remover sólidos a partir do molde de vidro e lava-se com água para remover os materiais de partida não reagidos e de catalisador residual. Normalmente executam 3 x 12 lavagens hr com DI fresco H _{2 O.} O material está agora pronto para secagem.
2. Secagem
   1. _CO2 supercrítico
      1. Preparar as amostras lavadas durante a secagem com _CO2 supercrítico através da troca o solvente _H2O com acetona. Remover a amostra do banho de água e coloque em banho containing acetona limpa. Substitua com acetona fresca mais duas vezes em intervalos de 12 h.
      2. Carregar amostras acetona-trocadas em um aparelho de secagem supercrítica, encheu-se com acetona e com refrigerante que circula a 12-15 ° C.
      3. Selar secador supercrítico e troca com _CO2 líquido até que não há restos acetona (4-24 horas dependendo do tamanho da amostra, densidade, morfologia de poros, etc.). Troca completa é indicado por cessação de gotas de acetona a válvula de escape do secador supercrítico.
      4. Desligue o fornecimento _de CO 2 e aumentar a temperatura do líquido de arrefecimento a 55 ° C em circulação, enquanto se mantém pressão no secador supercrítico entre 1,200-1,600 psi (80-110 bar). Manter a 55 ° C durante 1 h.
      5. Lentamente respiradouro de CO ₂ (2-12 horas), mantendo a temperatura do líquido de arrefecimento que circula a 55 ° C. Retirar amostras.
   2. Secagem ambiente (xerogel)
      Note-se que as amostras finas podem precisar de ser colocado entreduas folhas de teflon (ou outro material antiaderente) com peso em cima para evitar ondulação e "chipping batata."
      1. Preparar as amostras lavadas durante a secagem em condições ambientes, trocando o solvente _H2O com acetona. Remover a amostra do banho de água e coloque em banho contendo acetona limpa. Substitua com acetona fresca mais duas vezes em intervalos de 12 h.
      2. Coloque amostras trocadas com acetona em uma superfície limpa (por exemplo, bloco de Teflon). Para diminuir a taxa de evaporação do solvente para evitar rachaduras e desigual encolhimento, cobrir a amostra com um copo invertido de volume suficiente para fornecer a abundância de espaço livre.
      3. Permitir solvente evaporar para (24-72 h).
3. Carbonização
   1. Realizar carbonização das espumas secas a 1050 ° C sob _atmosfera de N 2. Rampa de RT a uma taxa de 5 ° C / min, e manter a 1.050 ° C durante 3 h. Note-se que as amostras finas podem precisar de ser colocado bntre dois folhas de papel de grafite (ou outro material de temperatura estável, não reativa) com peso em cima para evitar ondulação e "chipping batata."
   2. Recozimento térmico para altamente cristalino GMA. Efectuar o tratamento térmico adicional de espumas carbonizada a temperaturas até 2500 ° C sob atmosfera Ele. Rampa de RT a uma taxa de 100 ° C / min, e mantenha a temperatura elevada durante 1 h.
4. Post-carbonização funcionalização
   1. Não-covalente funcionalização antraquinona (AQ-GMA)
      1. Prepara-se uma solução 3 mM de antraquinona (AQ) em EtOH seco. Aquecer num tubo selado, a 75 ° C para assegurar a dissolução completa.
      2. Adicionar solução AQ quente para amostra GMA (~ 2 ml / mg de amostra). Soak, num recipiente selado durante 2 h a 75 ° C.
      3. Retire o excesso de solução AQ do frasco e permitir secagem da amostra a 75 ° CO / N (frasco cap off).

Resultados

A evolução da composição do material e morfologia durante a fabricação podem ser rastreados em várias formas, incluindo a difracção de raios X, espectroscopia de Raman e de RMN, microscopia electrónica, e porosimetria. Por exemplo, na síntese, de pirólise, e CO ₂ a activação de gás, a conversão foi seguido por difracção de raios-X (DRX) (Figura 1E). A ausência do pico (002) relacionados com a difracção de empilhamento no padrão de DRX após a activação (traço azul) in...

Discussão

É importante notar que os processos descritos aqui são apenas representativas. Muitos ajustes são possíveis para ajustar materiais para uma aplicação específica. Por exemplo, variando as concentrações de material de partida, mantendo resorcinol / formaldeído (RF) constante razão, podem ter um impacto sobre a densidade do material final. Catalisador de carregamento pode alterar a morfologia de poros, como uma carga maior no procedimento RF conduz a partículas primárias mais pequenas e vice-versa. O tempo de ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Single Layer Graphene Oxide	Cheap Tubes	n/a	300-800 nm XY dimensions
single wall carbon nano tubes (SWCNTs)	Carbon Solutions	P2-SWNT
resorcinol	Aldrich	398047-500G
37% formaldehyde solution in water	Aldrich	252549
acetic acid	Aldrich	320099
ammonium hydroxide solution 28-30% NH3 basis	Aldrich	320145
sodium carbonate	Aldrich	791768
anthraquinone	Aldrich	a90004
Polaron supercritical dryer	Electron Microscopy Sciences	EMS 3100	this is a representative model, any critical point dryer compatible with acetone should work