Poröser Graphit - Ein vollständiger Leitfaden

Poröser Graphit ist eine neue Art von Kohlenstoffmaterial, das in der Materialwissenschaft viel Aufmerksamkeit erregt hat. Es behält die Eigenschaften der Leitfähigkeit und Stabilität von Graphit bei und führt die Porenstruktur ein, die eine bessere Leistung bietet. Und es hat ein großes Potenzial in den Bereichen Energie, Umwelt, Katalyse und so weiter.

Verfahren zur Herstellung von porösem Graphit

Vorlage-Methode

Die Schablonenmethode ist eine wichtige Methode zur Herstellung von porösem Graphit. Harte Schablonen wie Siliziumdioxid-Nanokugeln und anodisiertes Aluminium haben eine regelmäßige Form und eine stabile Struktur. Zunächst werden die Kohlenstoffquellen wie Phenolharz in den Schablonenspalt gefüllt. Nach der Hochtemperaturverkohlung wird die Kohlenstoffquelle in Graphit umgewandelt, und dann wird die Schablone mit chemischen Reagenzien entfernt, wobei Poren zurückbleiben. Die flexible Schablone verwendet Mizellen, die durch die Selbstorganisation von Tensiden gebildet werden, um die Ablagerung von Kohlenstoffquellen zu steuern. Die poröse Struktur wird durch Wärmebehandlung erzielt. Mit dieser Methode lassen sich die Poren genau kontrollieren und hoch geordneter poröser Graphit herstellen. Die Entfernung der Schablone ist jedoch kompliziert und die Kosten sind hoch.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Unter Einwirkung von hoher Temperatur und Katalysator, CVD zersetzt Methan, Ethylen und andere gasförmige Kohlenstoffquellen. Dabei lagern sich Kohlenstoffatome auf der Substratoberfläche ab und es entsteht Graphit. Die Wachstumsrate und die Porenstruktur des Graphits lassen sich durch Anpassung von Gasfluss, Temperatur, Druck und Katalysator steuern. Der mit dieser Methode hergestellte poröse Graphit weist eine hohe Kristallinität und eine enge Bindung an das Substrat auf. Er ist für die Halbleiterherstellung und andere Bereiche geeignet. Aber die Ausrüstung ist teuer, die Herstellung ist kompliziert und die Ausbeute ist gering.

Aktivierungsmethode

Die Aktivierungsmethode verwendet GraphitpulverKohlenstofffasern und andere geformte Kohlenstoffmaterialien als Rohmaterial. Physikalische Aktivierung mit Wasserdampf und Kohlendioxid bei hohen Temperaturen ätzt die Kohlenstoffatome, so dass Poren entstehen. Bei der chemischen Aktivierung reagieren Kohlenstoffmaterialien mit Kaliumhydroxid, Phosphorsäure und anderen Reagenzien bei niedrigerer Temperatur, um Löcher zu erzeugen. Zum Beispiel Kaliumhydroxid-Aktivierung nach dem Waschen, um Kaliumsalz zu entfernen und Löcher zu hinterlassen. Diese Methode ist einfach und kostengünstig und kann die spezifische Oberfläche und Porosität erheblich verbessern. Es ist jedoch schwierig, die Porenstruktur genau zu kontrollieren, und die Porengrößenverteilung ist breit.

Mikrogefüge und Eigenschaften

Analyse der Porenstruktur

Der poröse Graphit hat drei Arten von Poren: Mikroporen, mesoporöse Poren und große Poren. Die Mikroporengröße beträgt weniger als 2 nm und bietet eine große spezifische Oberfläche, die der Adsorption kleiner Moleküle förderlich ist. Mesoporöse Poren mit einer Größe von 2-50nm erleichtern die Materialdiffusion. Makroporen mit Öffnungen von mehr als 50 nm sind die Kanäle, durch die Stoffe in das Innere gelangen. Die Porengröße des mit der Schablonenmethode hergestellten porösen Graphits ist einheitlich. Und die mehrstufige Porenstruktur, die durch die Aktivierungsmethode gebildet wird, trägt der Adsorptions- und Transporteffizienz Rechnung. Es spielt eine herausragende Rolle im Bereich der Umwelt und Energie.

Merkmale der Kristallstruktur

Poröser Graphit basiert auf der Schichtstruktur von Graphit, bei der die Kohlenstoffatome kovalent zu hexagonalen Ebenen verbunden sind. Die Schichten werden durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Die Herstellung von Poren führt zu Gitterdefekten und ungeordneter Anordnung, verleiht dem Material aber besondere Eigenschaften. In Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise können diese Defekte mehr Speicherplätze für Lithium-Ionen bieten und die Einbettung und Freisetzung von Ionen beschleunigen. Außerdem verbessern sie die Lade- und Entladeleistung und die Zyklenstabilität der Batterie.

Chemische Eigenschaften der Oberfläche

Das Herstellungsverfahren und die Nachbehandlung bestimmen die chemischen Eigenschaften der Oberfläche von porösem Graphit. Dabei werden funktionelle Gruppen wie Hydroxyl- und Carboxylgruppen eingeführt, um dem Material eine chemische Reaktionsfähigkeit zu verleihen. Die Carboxylgruppe kann z. B. mit alkalischen Substanzen reagieren. Gleichzeitig beeinflussen diese funktionellen Gruppen die Hydrophilie und die Dispersion des Materials. Bei Adsorptionsanwendungen kann durch die Regulierung der funktionellen Gruppen an der Oberfläche eine effiziente Adsorption bestimmter Stoffe erreicht werden. So kann poröser Graphit, der Aminosäuren enthält, saure Gase adsorbieren.

Leistungsvorteile von porösem Graphit

Hohe spezifische Oberfläche und Adsorptionseigenschaften

Der poröse Graphit ist mit einer Vielzahl von Poren gefüllt, die eine sehr große spezifische Oberfläche bilden. Einige von ihnen können Tausende von Quadratmetern pro Gramm erreichen. Diese Eigenschaft bietet eine große Anzahl von Adsorptionsstellen, die eine hohe Adsorptionskapazität für verschiedene Moleküle und Ionen in Gasen und Flüssigkeiten aufweisen. Im Vergleich zu herkömmlichen Adsorptionsmaterialien hat es eine größere Adsorptionskapazität und eine schnellere Geschwindigkeit. Und es kann die Umwelt effizient reinigen und das Problem der Umweltverschmutzung lösen.

Ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit

Poröser Graphit, der die intrinsischen Eigenschaften von Graphit geerbt hat, besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Seine einzigartige geschichtete Kristallstruktur bildet einen effizienten Kanal für den Elektronentransport. Und selbst wenn es Poren gibt, ist es schwierig, die Elektronenleitung zu behindern, und die Leitfähigkeit bleibt auf einem hohen Niveau erhalten. Auf dem Gebiet der Energiespeicherung und -umwandlung kommt dieser Vorteil besonders zum Tragen. Es kann Elektronen schnell leiten, den Innenwiderstand verringern und die Lade- und Entladeeffizienz sowie die Leistungsdichte erheblich verbessern.

Gute thermische Stabilität

Dank der starken kovalenten Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen hat poröser Graphit eine ausgezeichnete thermische Stabilität. In der Hochtemperaturumgebung über 1000℃ kann die Struktur noch stabil gehalten werden, und es tritt kein offensichtlicher Leistungsabfall auf. Dank seiner thermischen Stabilität spielt er eine wichtige Rolle in vielen Hochtemperaturanwendungen.

Anwendungen von porösem Graphit

Energiespeicherung und -umwandlung

Lithium-Ionen-Akku

In Lithium-Ionen-Batterien kann man es als negatives Elektrodenmaterial verwenden. Seine reichen Poren können mehr speichern Lithium-Ionenverbessern die spezifische Kapazität des Akkus. Die gute Leitfähigkeit beschleunigt das Laden und Entladen, erleichtert den Wechsel des Lade- und Entladevolumens und verlängert die Lebensdauer der Batterie.

Superkondensatoren

Sie können es für Superkondensator-Elektroden verwenden, seine hohe spezifische Oberfläche kann einen elektrischen Doppelschichtkondensator bilden. Die hervorragende Leitfähigkeit ermöglicht eine schnelle Ladungsübertragung, so dass der Superkondensator eine hohe Leistungsdichte und schnelle Lade- und Entladeeigenschaften aufweist.

Bereich Umwelt

Behandlung von Abwässern

Poröser Graphit Abwasserbehandlung, die sich auf hohe spezifische Oberfläche Adsorption von organischen Schadstoffen, Schwermetall-Ionen. Und es unterstützt auch Katalysatoren, katalytischen Abbau von organischen Schadstoffen, um harmlose Abwasserbehandlung, Reinigung der Wasserqualität zu erreichen.

Luftreinigung

Mit seiner hohen Adsorptionsleistung kann es Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen in der Luft absorbieren. Und Sie können daraus Luftreinigungsfilter und Beschichtungen herstellen, um die Luftqualität zu verbessern.

Katalyse

Katalysatorträger

Poröser Graphit als Katalysatorträger, hohe spezifische Oberfläche kann den Wirkstoff dispergieren. Gute Stabilität gewährleistet seine strukturelle Stabilität in der katalytischen Reaktion, verbessert die Katalysatoraktivität und Selektivität, weit verbreitet in chemischen Reaktionen verwendet.

Direkte Beteiligung an katalytischen Reaktionen

Seine Oberflächendefekte und funktionellen Gruppen haben eine katalytische Aktivität. Sie können es als nichtmetallischen Katalysator in der organischen Synthesereaktion verwenden. Die Reaktionsbedingungen sind mild, hohe Selektivität, helfen grüne chemische Synthese, reduzieren die Verschmutzung.

Andere Bereiche

Herstellung von Halbleitern

Aufgrund seiner guten thermischen Stabilität und Leitfähigkeit können Sie es als Hochtemperatur-Ofenkomponente und Wärmeableitungsmaterial verwenden. Um die Prozessstabilität zu gewährleisten, das Problem der Wärmeableitung auf dem Chip effektiv zu lösen und die Geräteleistung zu verbessern.

Biomedizinische Wissenschaft

Poröser Graphit mit guter Biokompatibilität kann als Arzneimittelträger für die kontrollierte Freisetzung von Medikamenten verwendet werden. Außerdem kann er zur Herstellung von Biosensoren, zum Nachweis von Biomolekülen und zur Unterstützung der Frühdiagnose und Behandlung von Krankheiten verwendet werden.

Schlussfolgerungen

Als eine neue Art von Kohlenstoffmaterialporöser Graphit hat eine einzigartige Struktur und eine hervorragende Leistung. Eine Vielzahl von Zubereitungsmethoden kann seine strukturellen Eigenschaften regulieren, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen. Er spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. Und mit der Entwicklung der Technologie wird erwartet, dass er in Zukunft wichtige materielle Unterstützung für die Lösung globaler Probleme bieten wird.