Name: synthesis and functionalization of 3d nano-graphene materials: graphene aerogels and graphene macro assemblies
Uploaded: 2015-11-05T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies at JoVE.com

This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344. IM release LLNL-JRNL-667016.

1. resorcinol-formaldeído (RF) Derivado grafeno Aerogels <ol><li> Na 2 CO 3 catalisadas aerogel de carbono (11% de sólidos, o CRF) <ol><li> 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. </li><li> Adicionar sol...

<ol>
	<li>Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field+effect+in+atomically+thin+carbon+films.">Electric field effect in atomically thin carbon films.</a> Science. 306 (5696), 666-669 (2004).</li><li>Geim, A. K., Novoselov, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+rise+of+graphene.">The rise of graphene.</a> Nat Mater. 6 (3), 183-191 (2007).</li><li>Li, D., Kaner, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+science.+Graphene-based+materials.">Materials science. Graphene-based materials.</a> Science. 320 (5880), 1170-1171 (2008).</li><li>Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Honeycomb+carbon:+a+review+of+graphene.">Honeycomb carbon: a review of graphene.</a> Chem. Rev. 110 (1), 132-145 (2010).</li><li>Nardecchia, S., Carriazo, D., Ferrer, M. L., Guti&#233;rrez, M. C., del Monte, ., F, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three+dimensional+macroporous+architectures+and+aerogels+built+of+carbon+nanotubes+and/or+graphene:+synthesis+and+applications.">Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications.</a> Chem. Soc. Rev.. 42 (2), 794-830 (2013).</li><li>Pekala, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic+aerogels+from+the+polycondensation+of+resorcinol+with+formaldehyde.">Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde.</a> J. Mater. Sci. 24 (9), 3221-3227 (1989).</li><li>Biener, J., Dasgupta, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Macroscopic+3D+nanographene+with+dynamically+tunable+bulk+properties.">Macroscopic 3D nanographene with dynamically tunable bulk properties.</a> Adv. Mater. 24 (37), 5083-5087 (2012).</li><li>Worsley, M. A., Olson, T. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Surface+Area,+sp+2-Cross-Linked+Three-Dimensional+Graphene+Monoliths.">High Surface Area, sp 2-Cross-Linked Three-Dimensional Graphene Monoliths.</a> J Phys. Chem. Lett. 2 (8), 921-925 (2011).</li><li>Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanically+robust+3D+graphene+macroassembly+with+high+surface+area.">Mechanically robust 3D graphene macroassembly with high surface area.</a> Chem Commun. 48 (67), 8428-8430 (2012).</li><li>Biener, J., Stadermann, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+carbon+aerogels+for+energy+applications.">Advanced carbon aerogels for energy applications.</a> Energ. Environ. Sci. 4 (3), 656-667 (2011).</li><li>Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., Satcher, J. H., Hamza, A. V., Baumann, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanically+robust+and+electrically+conductive+carbon+nanotube+foams.">Mechanically robust and electrically conductive carbon nanotube foams.</a> Appl. Phys. Lett. 94 (7), 073115 (2009).</li><li>Worsley, M. A., Pauzauskie, P. J., Olson, T. Y., Biener, J., Satcher, J. H., Baumann, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+graphene+aerogel+with+high+electrical+conductivity.">Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity.</a> J. Am. Chem. Soc. 132 (40), 14067-14069 (2010).</li><li>Fu, R., Baumann, T. F., Cronin, S., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M. S., Satcher, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+Graphitic+Structures+in+Cobalt-+and+Nickel-Doped+Carbon+Aerogels.">Formation of Graphitic Structures in Cobalt- and Nickel-Doped Carbon Aerogels.</a> Langmuir. 21 (7), 2647-2651 (2005).</li><li>Worsley, M. A., Pham, T. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+Characterization+of+Highly+Crystalline+Graphene+Aerogels.">Synthesis and Characterization of Highly Crystalline Graphene Aerogels.</a> ACS Nano. 8 (10), 11013-11022 (2014).</li><li>Campbell, P. G., Merrill, M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Battery/supercapacitor+hybrid+via+non-covalent+functionalization+of+graphene+macro-assemblies.">Battery/supercapacitor hybrid via non-covalent functionalization of graphene macro-assemblies.</a> J. Mater. Chem. A. 2, 17764-17770 (2014).</li><li>Worsley, M. A., Charnvanichborikarn, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+Macroscale,+Isotropic+Carbons+with+Graphene-Sheet-Like+Electrical+and+Mechanical+Properties.">Toward Macroscale, Isotropic Carbons with Graphene-Sheet-Like Electrical and Mechanical Properties.</a> Adv. Funct. Mater. 24 (27), 4259-4264 (2014).</li><li>Baumann, T. F., Worsley, M. A., Han, T. Y. -. J., Satcher, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+surface+area+carbon+aerogel+monoliths+with+hierarchical+porosity.">High surface area carbon aerogel monoliths with hierarchical porosity.</a> J. Non-Cryst. Solids. 354 (29), 3513-3515 (2008).</li><li>Baumann, T. F., Satcher, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Template-directed+synthesis+of+periodic+macroporous+organic+and+carbon+aerogels.">Template-directed synthesis of periodic macroporous organic and carbon aerogels.</a> J. Non-Cryst. Solids. 350, 120-125 (2004).</li><li>Braff, W. A., Bazant, M. Z., Buie, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Membrane-less+hydrogen+bromine+flow+battery.">Membrane-less hydrogen bromine flow battery.</a> Nat. Comms. 4, 1-6 (2013).</li><li>Zhu, C., Han, T. Y., Duoss, E. B., Golobic, A. M., Kuntz, J. D., Spadaccini, C. M., Worsley, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+compressible+3D+periodic+graphene+aerogel+microlattices.">Highly compressible 3D periodic graphene aerogel microlattices.</a> Nat Comms. 6, (2015).</li><li>Worsley, M. A., Shin, S. J., Merrill, M. D., Lenhardt, J., Nelson, A. J., Woo, L. Y., Gash, A. E., Baumann, T. F., Orme, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-Low+Density,+Monolithic+WS2,+MoS2,+and+MoS2+Graphene+Aerogels.">Ultra-Low Density, Monolithic WS2, MoS2, and MoS2 Graphene Aerogels.</a> ACS Nano. 9 (5), 4698-4705 (2015).</li></ol>

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 ...

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 (&gt; 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Single Layer Graphene Oxide</td>
			<td>Cheap Tubes</td>
			<td>n/a</td>
			<td>300-800nm XY dimensions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>single wall carbon nano tubes (SWCNTs)</td>
			<td>Carbon Solutions</td>
			<td>P2-SWNT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>resorcinol</td>
			<td>aldrich</td>
			<td>398047-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>37% formaldehyde solution in water</td>
			<td>aldrich</td>
			<td>252549</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>acetic acid</td>
			<td>aldrich</td>
			<td>320099</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ammonium hydroxide solution 28-30% NH3 basis</td>
			<td>aldrich</td>
			<td>320145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sodium carbonate</td>
			<td>aldrich</td>
			<td>791768</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>anthraquinone</td>
			<td>aldrich</td>
			<td>a90004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polaron supercritical dryer</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>EMS 3100</td>
			<td>this is a representative model, any critical point dryer compatible with acetone should work</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

synthesis and functionalization of 3d nano-graphene materials: graphene aerogels and graphene macro assemblies

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.

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...

Watch this Scientific Journal Video about Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies at JoVE.com

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

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.

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

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Functionalization of Nitrogen-doped Carbon Nanotube Cups with Gold Nanoparticles as Cork Stoppers

Síntese e funcionalização de nitrogênio dopado Copas de Nanotubos de Carbono com nanopartículas de ouro como Rolhas

Nitrogen-doped carbon  nanotubes consist of many cup-shaped graphitic compartments termed as  nitrogen-doped carbon nanotube cups (NCNCs).  These ...

Engenharia

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

Desenvolvimento de um dispositivo 3D Grafeno Eletrodo dieletroforética

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Fabricação de porta-ajustáveis ​​dispositivos de grafeno para tunelamento estudos de microscopia com Coulomb Impurezas

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle

De luz visível redução induzida de óxido de grafeno Usando nanopartículas plasmonic

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using ...

Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors

Grafeno Oxide Nanohybrid Thin Film eléctrodos modificados serigrafado reduzida de óxido de irídio como papel Electrochemical descartável microfluídicos pH Sensores

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use ...

Preparation of ZnO Nanorod/Graphene/ZnO Nanorod Epitaxial Double Heterostructure for Piezoelectrical Nanogenerator by Using Preheating Hydrothermal

Preparação de ZnO nanorod / Grafeno / ZnO nanorod Epitaxial Duplo heterostructure para piezoelétricos nanogenerator usando pré-aquecimento Hydrothermal

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

Strain Sensing Baseado em Multiscale Materiais Compósitos reforçados com grafeno Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Fabricação de pressão atmosférica de grande porte camada única retangular SnSe flocos

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides

Granel e síntese de película fina de óxidos de entropia-estabilizado em termos de composição variantes

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and ...