الجرافيت المسامي - دليل كامل

الجرافيت المسامي هو نوع جديد من مواد الكربون وقد جذب الكثير من الاهتمام في مجال علم المواد. فهو يحتفظ بخصائص توصيل الجرافيت وثباته، ويقدم بنية المسام التي تتمتع بأداء أفضل. وله إمكانات كبيرة في مجالات الطاقة والبيئة والحفز وما إلى ذلك.

طريقة تحضير الجرافيت المسامي

طريقة القالب

طريقة القالب هي طريقة رئيسية لتحضير الجرافيت المسامي. تكون القوالب الصلبة مثل كرات السيليكا النانوية والألومنيوم المؤكسد منتظمة الشكل ومستقرة في الهيكل. أولاً، يتم ملء مصادر الكربون مثل راتنج الفينول في فجوة القالب. وبعد الكربنة في درجة حرارة عالية، يتم تحويل مصدر الكربون إلى جرافيت، ثم يتم إزالة القالب باستخدام كواشف كيميائية، تاركًا المسام. ويستخدم القالب المرن المذيلات المتكونة عن طريق التجميع الذاتي للمواد الخافضة للتوتر السطحي لتوجيه ترسيب مصادر الكربون. ويتم الحصول على البنية المسامية عن طريق المعالجة الحرارية. ويمكن لهذه الطريقة التحكم بدقة في المسام وإعداد جرافيت مسامي عالي الترتيب. ولكن عملية إزالة القالب معقدة والتكلفة مرتفعة.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

تحت تأثير درجة الحرارة العالية والمحفز, الأمراض القلبية الوعائية القلبية الوعائية تحلل الميثان والإيثيلين ومصادر الكربون الغازية الأخرى. وتترسب ذرات الكربون على سطح الركيزة لتوليد الجرافيت. ويمكن التحكم في معدل النمو وبنية مسام الجرافيت عن طريق ضبط تدفق الغاز ودرجة الحرارة والضغط والمحفز. يتميز الجرافيت المسامي الذي يتم تحضيره بهذه الطريقة ببلورة عالية وترابط محكم مع الركيزة. وهو مناسب لتصنيع أشباه الموصلات والمجالات الأخرى. ولكن المعدات باهظة الثمن، والتحضير معقد والعائد منخفض.

طريقة التفعيل

تستخدم طريقة التنشيط مسحوق الجرافيتوألياف الكربون وغيرها من المواد الكربونية المشكلة كمواد خام. التنشيط الفيزيائي باستخدام بخار الماء بدرجة حرارة عالية وثاني أكسيد الكربون يحفر ذرات الكربون لتكوين مسام. يسمح التنشيط الكيميائي للمواد الكربونية بالتفاعل مع هيدروكسيد البوتاسيوم وحمض الفوسفوريك وكواشف أخرى عند درجة حرارة منخفضة لتكوين ثقوب. مثل تنشيط هيدروكسيد البوتاسيوم بعد الغسيل لإزالة ملح البوتاسيوم لترك ثقوب. هذه الطريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة، ويمكنها تحسين مساحة السطح المحددة والمسامية بشكل كبير. ولكن من الصعب التحكم بدقة في بنية المسام، كما أن توزيع حجم المسام واسع.

البنية المجهرية والخصائص

تحليل بنية المسام

يحتوي الجرافيت المسامي على ثلاثة أنواع من المسام: المسام الدقيقة، والمسام المتوسطة والمسام الكبيرة. يبلغ حجم المسام الدقيقة أقل من 2 نانومتر، مما يوفر مساحة سطح كبيرة محددة، مما يساعد على امتصاص الجزيئات الصغيرة. فتحة مسامية متوسطة الحجم 2-50 نانومتر، تساعد على انتشار المواد. المسامات الكبيرة ذات الفتحات الأكبر من 50 نانومتر هي القنوات التي تدخل من خلالها المواد إلى الداخل. حجم مسام الجرافيت المسامي المحضر بطريقة القالب موحد. وتؤخذ بنية المسام متعددة المراحل التي تشكلت بطريقة التنشيط في الاعتبار كفاءة الامتصاص والنقل. ويلعب دورًا بارزًا في مجال البيئة والطاقة.

خصائص التركيب البلوري

ويعتمد الجرافيت المسامي على البنية الطبقية للجرافيت، حيث ترتبط ذرات الكربون تساهميًا لتشكيل مستويات سداسية الشكل. ويتم الحفاظ على الطبقات بواسطة قوى فان دير فال. ويسبب إعداد المسام عيوبًا شبكية وترتيبًا غير منظم، ولكنه يعطي المادة خصائص خاصة. على سبيل المثال، في بطاريات أيونات الليثيوم، يمكن أن توفر هذه العيوب في بطاريات أيونات الليثيوم المزيد من مواقع التخزين لأيونات الليثيوم، وتسريع عملية تضمين الأيونات وإطلاقها. وتحسين أداء شحن البطارية وتفريغها واستقرار الدورة.

الخواص الكيميائية السطحية

تحدد عملية التحضير والمعالجة اللاحقة الخصائص الكيميائية السطحية للجرافيت المسامي. وفي هذه العملية، يتم إدخال مجموعات وظيفية مثل مجموعات الهيدروكسيل والكربوكسيل لإعطاء المادة نشاط التفاعل الكيميائي. مثل مجموعة الكربوكسيل يمكن أن تتفاعل مع المواد القلوية. وفي الوقت نفسه، تؤثر هذه المجموعات الوظيفية على قابلية الماء وتشتت المادة. في تطبيقات الامتزاز، يمكن أن يؤدي تنظيم المجموعات الوظيفية السطحية إلى تحقيق امتزاز فعال لمواد معينة. مثل الجرافيت المسامي الذي يحتوي على أحماض أمينية يمكنه امتصاص الغازات الحمضية.

مزايا أداء الجرافيت المسامي

مساحة السطح النوعية العالية وخصائص الامتزاز

يمتلئ الجرافيت المسامي بمسام وفيرة، مما يخلق مساحة سطح محددة عالية جدًا. ويمكن أن يصل بعضها إلى آلاف الأمتار المربعة للجرام الواحد. وتوفر هذه الميزة عددًا كبيرًا من مواقع الامتزاز، مما يُظهر قدرة امتزاز قوية لمختلف الجزيئات والأيونات في الغازات والسوائل. وبالمقارنة مع مواد الامتزاز التقليدية، فهي تتمتع بقدرة امتصاص أكبر وسرعة أكبر. ويمكنه تنقية البيئة بكفاءة وحل مشكلة التلوث.

توصيل كهربائي ممتاز

يتميز الجرافيت المسامي، الذي يرث الخصائص الجوهرية للجرافيت، بتوصيل كهربائي ممتاز. حيث تبني بنيته البلورية الفريدة من نوعها ذات الطبقات قناة فعالة لنقل الإلكترونات. وحتى إذا كانت هناك مسام، فمن الصعب أن تعيق توصيل الإلكترونات، وتظل الموصلية عند مستوى عالٍ. وتبرز هذه الميزة في مجال تخزين الطاقة وتحويلها. ويمكنه توصيل الإلكترونات بسرعة، وتقليل المقاومة الداخلية، وتحسين كفاءة الشحن والتفريغ وكثافة الطاقة بشكل كبير.

ثبات حراري جيد

بفضل الرابطة التساهمية القوية بين ذرات الكربون، يتمتع الجرافيت المسامي باستقرار حراري ممتاز. في بيئة درجات الحرارة المرتفعة التي تزيد عن 1000 درجة مئوية، يمكن الحفاظ على استقرار الهيكل، ولا يحدث انخفاض واضح في الأداء. وبفضل استقراره الحراري، فإنه يلعب دورًا مهمًا في العديد من التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

تطبيقات الجرافيت المسامي

تخزين الطاقة وتحويلها

بطارية ليثيوم أيون

في بطاريات الليثيوم أيون، يمكنك استخدامه كمادة قطب كهربائي سالب. يمكن لمسامه الغنية تخزين المزيد أيونات الليثيوموتحسين السعة النوعية للبطارية. تعمل الموصلية الجيدة على تسريع الشحن والتفريغ، وتسهيل تغيير حجم الشحن والتفريغ، وإطالة عمر خدمة البطارية.

المكثفات الفائقة

يمكنك استخدامه لقطب المكثف الفائق، ويمكن أن تشكل مساحة سطحه المحددة العالية مكثف طبقة كهربائية مزدوجة. وتحقق الموصلية الممتازة نقلًا سريعًا للشحنة، بحيث يتمتع المكثف الفائق بكثافة طاقة عالية وخصائص شحن وتفريغ سريعة.

المجال البيئي

معالجة مياه الصرف الصحي

معالجة مياه الصرف الصحي المسامية من الجرافيت المسامي، بالاعتماد على امتصاص مساحة سطح محددة عالية للملوثات العضوية وأيونات المعادن الثقيلة. كما أنه يدعم المحفزات، والتدهور التحفيزي للملوثات العضوية، لتحقيق معالجة مياه الصرف الصحي غير الضارة، وتنقية جودة المياه.

تنقية الهواء

بفضل أداء الامتصاص العالي، يمكنه امتصاص المواد الضارة مثل ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة في الهواء. ويمكنك تحويله إلى مرشحات وطلاءات لتنقية الهواء لتحسين جودة الهواء.

الحفز

الناقل المحفز

الجرافيت المسامي كحامل محفز ، يمكن أن تشتت مساحة السطح المحددة العالية المادة الفعالة. يضمن الاستقرار الجيد استقراره الهيكلي في التفاعل التحفيزي، ويحسن نشاط المحفز والانتقائية، ويستخدم على نطاق واسع في التفاعلات الكيميائية.

المشاركة المباشرة في التفاعلات الحفازة

عيوب سطحه ومجموعاته الوظيفية لها نشاط تحفيزي، يمكنك استخدامه كمحفز غير معدني في تفاعل التخليق العضوي. ظروف التفاعل معتدلة، وانتقائية عالية، وتساعد على التخليق الكيميائي الأخضر، وتقلل من التلوث.

مجالات أخرى

تصنيع أشباه الموصلات

وبفضل ثباتها الحراري الجيد وتوصيلها الحراري الجيد، يمكنك استخدامها كمكون للفرن عالي الحرارة ومواد تبديد الحرارة. لضمان استقرار العملية، وحل مشكلة تبديد حرارة الرقاقة بشكل فعال، وتحسين أداء الجهاز.

العلوم الطبية الحيوية

يمكن استخدام الجرافيت المسامي ذو التوافق الحيوي الجيد كحامل للأدوية لتحقيق إطلاق محكوم للأدوية. ويمكن استخدامه أيضًا لإعداد أجهزة الاستشعار البيولوجية، والكشف عن الجزيئات الحيوية، والمساعدة في التشخيص المبكر للأمراض وعلاجها.

الاستنتاجات

كنوع جديد من مادة الكربون، يتميز الجرافيت المسامي ببنية فريدة وأداء ممتاز. يمكن لمجموعة متنوعة من طرق التحضير تنظيم خصائصه الهيكلية لتلبية الاحتياجات المتعددة. ويلعب دورًا مهمًا في العديد من المجالات. ومع تطور التكنولوجيا، من المتوقع أن يوفر الدعم المادي الرئيسي لحل المشاكل العالمية في المستقبل.