Πορώδης γραφίτης - Ένας πλήρης οδηγός

Ο πορώδης γραφίτης είναι ένας νέος τύπος υλικού άνθρακα και έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή στον τομέα της επιστήμης των υλικών. Διατηρεί τα χαρακτηριστικά της αγωγιμότητας και της σταθερότητας του γραφίτη και εισάγει τη δομή των πόρων, η οποία έχει καλύτερες επιδόσεις. Και έχει μεγάλες δυνατότητες στους τομείς της ενέργειας, του περιβάλλοντος, της κατάλυσης και ούτω καθεξής.

Μέθοδος παρασκευής πορώδους γραφίτη

Μέθοδος προτύπου

Η μέθοδος των προτύπων αποτελεί βασική μέθοδο για την παρασκευή πορώδους γραφίτη. Τα σκληρά πρότυπα, όπως τα νανοσφαιρίδια πυριτίας και το ανοδιωμένο αλουμίνιο, έχουν κανονικό σχήμα και σταθερή δομή. Αρχικά, γεμίστε τις πηγές άνθρακα, όπως η φαινολική ρητίνη, στο διάκενο του προτύπου. Και μετά από ενανθράκωση σε υψηλή θερμοκρασία, η πηγή άνθρακα μετατρέπεται σε γραφίτη και στη συνέχεια το πρότυπο απομακρύνεται με χημικά αντιδραστήρια, αφήνοντας πόρους. Το εύκαμπτο πρότυπο χρησιμοποιεί μικκύλια που σχηματίζονται από την αυτοσυναρμολόγηση επιφανειοδραστικών ουσιών για να καθοδηγήσει την εναπόθεση των πηγών άνθρακα. Και η πορώδης δομή λαμβάνεται με θερμική επεξεργασία. Η μέθοδος μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια τους πόρους και να παρασκευάσει εξαιρετικά διατεταγμένο πορώδη γραφίτη. Αλλά η αφαίρεση του προτύπου είναι περίπλοκη και το κόστος υψηλό.

Χημική εναπόθεση ατμών (CVD)

Υπό τη δράση υψηλής θερμοκρασίας και καταλύτη, CVD αποσυνθέτει μεθάνιο, αιθυλένιο και άλλες αέριες πηγές άνθρακα. Και τα άτομα άνθρακα εναποτίθενται στην επιφάνεια του υποστρώματος για τη δημιουργία γραφίτη. Ο ρυθμός ανάπτυξης και η δομή των πόρων του γραφίτη μπορούν να ελεγχθούν με τη ρύθμιση της ροής του αερίου, της θερμοκρασίας, της πίεσης και του καταλύτη. Ο πορώδης γραφίτης που παρασκευάζεται με αυτή τη μέθοδο έχει υψηλή κρυσταλλικότητα και στενή σύνδεση με το υπόστρωμα. Είναι κατάλληλος για την κατασκευή ημιαγωγών και άλλους τομείς. Αλλά ο εξοπλισμός είναι ακριβός, η παρασκευή είναι περίπλοκη και η απόδοση είναι χαμηλή.

Μέθοδος ενεργοποίησης

Η μέθοδος ενεργοποίησης χρησιμοποιεί σκόνη γραφίτη, ίνες άνθρακα και άλλα διαμορφωμένα υλικά άνθρακα ως πρώτες ύλες. Φυσική ενεργοποίηση με υδρατμούς υψηλής θερμοκρασίας, διοξείδιο του άνθρακα χαράζουν άτομα άνθρακα για να σχηματίσουν πόρους. Η χημική ενεργοποίηση επιτρέπει στα υλικά άνθρακα να αντιδράσουν με υδροξείδιο του καλίου, φωσφορικό οξύ και άλλα αντιδραστήρια σε χαμηλότερη θερμοκρασία για τη δημιουργία οπών. Όπως η ενεργοποίηση υδροξειδίου του καλίου μετά από πλύση για την απομάκρυνση του άλατος καλίου για να αφήσει οπές. Αυτή η μέθοδος είναι απλή και χαμηλού κόστους και μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ειδική επιφάνεια και το πορώδες. Αλλά είναι δύσκολο να ελεγχθεί με ακρίβεια η δομή των πόρων και η κατανομή του μεγέθους των πόρων είναι ευρεία.

Μικροδομή και ιδιότητες

Ανάλυση της δομής των πόρων

Ο πορώδης γραφίτης έχει τρία είδη πόρων: μικροπόρους, μεσοπορώδεις πόρους και μεγάλους πόρους. Το μέγεθος των μικροπόρων είναι μικρότερο από 2nm, παρέχοντας μεγάλη ειδική επιφάνεια, η οποία ευνοεί την προσρόφηση μικρών μορίων. Μεσοπορώδες άνοιγμα 2-50nm, βοηθούν τη διάχυση του υλικού. Οι μακροπόροι με ανοίγματα μεγαλύτερα από 50nm είναι τα κανάλια μέσω των οποίων εισέρχονται ουσίες στο εσωτερικό. Το μέγεθος των πόρων του πορώδους γραφίτη που παρασκευάζεται με τη μέθοδο template είναι ομοιόμορφο. Και η δομή πόρων πολλαπλών σταδίων που σχηματίζεται με τη μέθοδο ενεργοποίησης λαμβάνεται υπόψη η αποτελεσματικότητα της προσρόφησης και της μεταφοράς. Διαδραματίζει εξέχοντα ρόλο στον τομέα του περιβάλλοντος και της ενέργειας.

Χαρακτηριστικά κρυσταλλικής δομής

Ο πορώδης γραφίτης βασίζεται στη στρωματοποιημένη δομή του γραφίτη, τα άτομα άνθρακα είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένα για να σχηματίσουν εξαγωνικά επίπεδα. Και τα στρώματα διατηρούνται με δυνάμεις van der Waals. Η παρασκευή πόρων προκαλεί ατέλειες πλέγματος και αταξία στη διάταξη, αλλά προσδίδει στο υλικό ιδιαίτερες ιδιότητες. Για παράδειγμα, στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, αυτές οι ατέλειες μπορούν να παρέχουν περισσότερες θέσεις αποθήκευσης για τα ιόντα λιθίου, να επιταχύνουν την ενσωμάτωση και την απελευθέρωση ιόντων. Και να βελτιώσουν την απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας και τη σταθερότητα του κύκλου.

Χημικές ιδιότητες της επιφάνειας

Η διαδικασία παρασκευής και η μεταγενέστερη επεξεργασία καθορίζουν τις επιφανειακές χημικές ιδιότητες του πορώδους γραφίτη. Κατά τη διαδικασία, εισάγονται λειτουργικές ομάδες όπως οι ομάδες υδροξυλίου και καρβοξυλίου για να προσδώσουν στο υλικό δραστηριότητα χημικής αντίδρασης. Όπως η ομάδα καρβοξυλίου μπορεί να αντιδράσει με αλκαλικές ουσίες. Ταυτόχρονα, αυτές οι λειτουργικές ομάδες επηρεάζουν την υδρόφιλη και τη διασπορά του υλικού. Σε εφαρμογές προσρόφησης, η ρύθμιση των λειτουργικών ομάδων της επιφάνειας μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική προσρόφηση συγκεκριμένων ουσιών. Όπως ο πορώδης γραφίτης που περιέχει αμινοξέα μπορεί να προσροφήσει όξινα αέρια.

Πλεονεκτήματα επιδόσεων του πορώδους γραφίτη

Υψηλή ειδική επιφάνεια και ιδιότητες προσρόφησης

Ο πορώδης γραφίτης είναι γεμάτος με άφθονους πόρους, δημιουργώντας μια πολύ υψηλή ειδική επιφάνεια. Ορισμένοι από αυτούς μπορούν να φτάσουν τα χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο. Αυτό το χαρακτηριστικό παρέχει μεγάλο αριθμό θέσεων προσρόφησης, παρουσιάζοντας ισχυρή ικανότητα προσρόφησης για διάφορα μόρια και ιόντα σε αέρια και υγρά. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά προσρόφησης, έχει μεγαλύτερη ικανότητα προσρόφησης, ταχύτερη ταχύτητα. Και μπορεί να καθαρίσει αποτελεσματικά το περιβάλλον και να λύσει το πρόβλημα της ρύπανσης.

Εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα

Κληρονομώντας τα εγγενή χαρακτηριστικά του γραφίτη, ο πορώδης γραφίτης έχει εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η μοναδική στρωματοποιημένη κρυσταλλική δομή του δημιουργεί ένα αποτελεσματικό κανάλι για τη μεταφορά ηλεκτρονίων. Και ακόμη και αν υπάρχουν πόροι, είναι δύσκολο να παρεμποδιστεί η αγωγή ηλεκτρονίων και η αγωγιμότητα εξακολουθεί να διατηρείται σε υψηλό επίπεδο. Στον τομέα της αποθήκευσης και μετατροπής ενέργειας, αυτό το πλεονέκτημα αναδεικνύεται. Μπορεί να διεξάγει γρήγορα ηλεκτρόνια, να μειώσει την εσωτερική αντίσταση, να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης και την πυκνότητα ισχύος.

Καλή θερμική σταθερότητα

Χάρη στον ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων άνθρακα, ο πορώδης γραφίτης έχει εξαιρετική θερμική σταθερότητα. Σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας άνω των 1000 ℃, η δομή μπορεί να διατηρηθεί σταθερή και δεν παρατηρείται εμφανής μείωση των επιδόσεων. Χάρη στη θερμική του σταθερότητα, παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας.

Εφαρμογές του πορώδους γραφίτη

Αποθήκευση και μετατροπή ενέργειας

Μπαταρία ιόντων λιθίου

Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου. Οι πλούσιοι πόροι του μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερα ιόντα λιθίου, βελτιώνουν την ειδική χωρητικότητα της μπαταρίας. Η καλή αγωγιμότητα επιταχύνει τη φόρτιση και την εκφόρτιση, διευκολύνει την αλλαγή του όγκου φόρτισης και εκφόρτισης και παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Υπερπυκνωτές

Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για ηλεκτρόδιο υπερπυκνωτή, η υψηλή ειδική επιφάνεια μπορεί να σχηματίσει πυκνωτή διπλού ηλεκτρικού στρώματος. Η εξαιρετική αγωγιμότητα επιτυγχάνει γρήγορη μεταφορά φορτίου, έτσι ώστε ο υπερπυκνωτής να έχει υψηλή πυκνότητα ισχύος, γρήγορα χαρακτηριστικά φόρτισης και εκφόρτισης.

Περιβαλλοντικός τομέας

Επεξεργασία λυμάτων

Επεξεργασία υγρών αποβλήτων από πορώδη γραφίτη, βασιζόμενη στην υψηλή ειδική επιφάνεια προσρόφησης οργανικών ρύπων, ιόντων βαρέων μετάλλων. Και υποστηρίζει επίσης καταλύτες, καταλυτική αποικοδόμηση οργανικών ρύπων, για την επίτευξη αβλαβούς επεξεργασίας λυμάτων, καθαρισμό της ποιότητας του νερού.

Καθαρισμός του αέρα

Με υψηλή απόδοση προσρόφησης, μπορεί να απορροφήσει επιβλαβείς ουσίες όπως διοξείδιο του θείου, οξείδια του αζώτου και πτητικές οργανικές ενώσεις στον αέρα. Και μπορείτε να το μετατρέψετε σε φίλτρα καθαρισμού αέρα και επιστρώσεις για τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα.

Κατάλυση

Φορέας καταλύτη

Ο πορώδης γραφίτης ως φορέας καταλύτη, η υψηλή ειδική επιφάνεια μπορεί να διασκορπίσει τη δραστική ουσία. Η καλή σταθερότητα εξασφαλίζει τη δομική του σταθερότητα στην καταλυτική αντίδραση, βελτιώνει τη δραστικότητα και την εκλεκτικότητα του καταλύτη, χρησιμοποιείται ευρέως σε χημικές αντιδράσεις.

Άμεση συμμετοχή σε καταλυτικές αντιδράσεις

Οι επιφανειακές ατέλειες και οι λειτουργικές ομάδες του έχουν καταλυτική δράση, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως μη μεταλλικό καταλύτη στην αντίδραση οργανικής σύνθεσης. Οι συνθήκες αντίδρασης είναι ήπιες, υψηλή εκλεκτικότητα, βοηθούν στην πράσινη χημική σύνθεση, μειώνουν τη ρύπανση.

Άλλες περιοχές

Κατασκευή ημιαγωγών

Με την καλή θερμική σταθερότητα και αγωγιμότητά του, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως εξάρτημα φούρνου υψηλής θερμοκρασίας και υλικό διάχυσης θερμότητας. Για να διασφαλίσετε τη σταθερότητα της διαδικασίας, να λύσετε αποτελεσματικά το πρόβλημα της απαγωγής θερμότητας του τσιπ και να βελτιώσετε την απόδοση της συσκευής.

Βιοϊατρική επιστήμη

Ο πορώδης γραφίτης με καλή βιοσυμβατότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας φαρμάκου για την επίτευξη ελεγχόμενης απελευθέρωσης φαρμάκου. Και μπορείτε επίσης να τον χρησιμοποιήσετε για την παρασκευή βιοαισθητήρων, την ανίχνευση βιομορίων και την υποβοήθηση της έγκαιρης διάγνωσης και θεραπείας ασθενειών.

Συμπεράσματα

Ως ένας νέος τύπος υλικό άνθρακα, ο πορώδης γραφίτης έχει μοναδική δομή και εξαιρετικές επιδόσεις. Μια ποικιλία μεθόδων παρασκευής μπορεί να ρυθμίσει τις δομικές του ιδιότητες για να καλύψει πολλαπλές ανάγκες. Παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς. Και με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, αναμένεται να παρέχει βασική υλική υποστήριξη για την επίλυση παγκόσμιων προβλημάτων στο μέλλον.