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活性炭气凝胶混合材料的制造与应用
文章编辑:优德88官方网站网络部 更新时间:2019-8-23 16:31:20

  气凝胶的外观和凝胶一样,但是内部的液体组分已被替换成气体形成了一个完整的固体纳米结构,其中90%〜99体积%是空气。同时,发现构成有机气凝胶的聚合物可以在惰性气氛(例如氮气或氩气)中加热到一定温度后脱水活化,留下活性炭气凝胶。与二氧化硅气凝胶不同,活性炭气凝胶是一种电导体,可以作为电容器。本文简单的描述了聚合物和活性炭气凝胶的制备,结构和性质的进展,以及它们在各种领域的潜在应用。

  活性炭气凝胶的制备方法

  气凝胶的潜在应用基于其性质,其强烈依赖于微观结构。因此,在制备过程中实现微观结构控制是非常重要的。通常,气凝胶的制备过程包括以下三个或四个步骤(图1:

  1、溶胶-凝胶转变(凝胶化):纳米级溶胶颗粒交联并分层组装成湿凝胶,自发地或通过催化剂通过水解或缩合反应催化。

  2、结构强化(固化):机械强化溶胶-凝胶过程中产生的脆弱固体骨架。

  3、凝胶-气凝胶转变(干燥):湿凝胶内的溶剂被空气置换而没有严重的微观结构损失。

  图1:聚合物或活性炭气凝胶的一般制备方法。

  所有这三个步骤都可以确定气凝胶的微观结构并影响它们的性质和应用。此外,值得一提的是,制造活性炭气凝胶需要额外的碳化过程(图1步骤4)。有机气凝胶的碳化,活性炭气凝胶主要通过在高于600℃的温度下热解有机气凝胶而获得。以这种方式,有机气凝胶转变为导电活性炭结构。在碳化期间,气凝胶失去氧和氢官能团,因此导致碳的富集和高纯碳结构。热解条件的变化引起活性炭气凝胶性质的显着变化。较高的热解温度倾向于降低活性炭气凝胶的表面积,并且它们的电化学双层电容也降低。随着热解温度的升高,表面积的微小下降限制在600°C以上的温度,而在600°C以下,热解温度的升高会增加表面积。此外,活性炭气凝胶的活化可以通过800到900°C之间用蒸汽或CO 2进行气化来进行。碳气凝胶的表面积,孔体积和孔径分布在与合成和加工条件下是可调的。

  活性炭气凝胶的组成和性质

  活性炭气凝胶由纳米结构活性炭材料组成,其中孔隙充满气体。因为可以结合有益吸附性质和高的热稳定性,并且拥有电子传导性,和可成为催化剂载体,油或有机溶剂吸附和储能方面的潜在应用。活性炭气凝胶还有一个特征是它们的超轻质。除了高度多孔和轻质之外,另一个优点是在转化成活性炭气凝胶后引入导电性的可能性,因此允许在电化学区域(例如,电池,超级电容器或导电催化剂载体)中的应用。随着新型活性炭材料的发展,已经生产出具有超低密度和优异导电性的石墨烯或基于纳米碳管的活性炭气凝胶作为新兴的新型气凝胶材料,这进一步拓展了气凝胶材料的应用领域。除了高级碳材料能制造气凝胶外,使用生物质做成的活性炭气凝胶如图7所示。

  图2:来自不同生物质的活性炭气凝胶。

  新颖气凝胶如碳纳米关和石墨烯气凝胶理论上认为是使超轻型但弹性的最佳候选和导电气凝胶,鉴于其奇妙的机械强度,低的密度,良好的弹性,良好的导电性,和非常高的纵横比。无论其超轻密度如何,碳纳米管或石墨烯气凝胶都具有机械强度,可以支撑高达自身重量1000倍的平衡。更有趣的是,活性炭气凝胶还表现出超弹性,可以在压缩释放后反复压缩并恢复其大部分体积。因此,这种新型活性炭气凝胶进一步拓展了气凝胶材料的应用领域,包括有机发光显示器,太阳能电池,传感器,新型电极和冷电子场发射。

  图3:活性炭气凝胶的结构性质展示。

  活性炭气凝胶的应用

  能源储备:具有3D多孔结构的活性炭气凝胶是高性能电极材料的优良候选材料,因为它们具有高比表面积和发达的孔隙率,通过缩短扩散路径和确保良好的电接触提供连续通道以促进离子传输。

  吸附剂:活性炭气凝胶的疏水性使其成为去除污染物和油和水分离的理想候选物,因为其疏水表面可以选择性地和有效地吸附与水混合的油性目标化合物。活性炭气凝胶可吸附各种有机溶剂和油类,还还具有优异的可回收性,即使经过蒸馏,燃烧或挤压五个循环后仍保持高吸附能力。最重要的是,丰富的来源和简单的制备方法使炭气凝胶在可能的工业应用中具有成本效益,例如屏障分离和水净化。

  催化剂载体:为了改善催化剂的性能(一般物理化学特性以及催化反应性),最重要的特征是催化剂纳米颗粒的高表面积和相稳定性。因此,具有高导电性,高中孔率和环境稳定性的活性炭气凝胶是用于催化的有前途的材料。

  图4:(a)通过使用间隔10秒的活性炭气凝胶显示庚烷吸附过程的照片。(b)照片显示使用活性炭气凝胶吸附氯仿的过程5秒内完全被吸取。

  聚合物气凝胶和活性炭气凝胶已被用于各种领域,因为它们具有独特的结构和性质,如3D多孔网络,高比表面积,低密度,低介电常数和高机械性能。由于其轻质,低导热性和低速声音,活性炭气凝胶可应用于建筑施工,车辆,汽车或太空服。来自气凝胶三维多孔网络的高表面积,高孔隙率和低密度确保了它们在催化,传感器,吸附和燃料储存领域的实际应用。此外,通过实验测试,这些高度多孔的活性炭气凝胶结构提供了更大的适用范围,并且通常比其原始有机前体具有更高的性能。

文章标签:椰壳活性炭,果壳活性炭,煤质活性炭,木质活性炭,蜂窝活性炭,净水活性炭.

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