Grafito poroso - Guía completa

El grafito poroso es un nuevo tipo de material de carbono y ha atraído mucha atención en el campo de la ciencia de materiales. Conserva las características de conductividad y estabilidad del grafito, e introduce la estructura porosa, que tiene mejores prestaciones. Y tiene un gran potencial en los campos de la energía, el medio ambiente, la catálisis, etc.

Método de preparación del grafito poroso

Método de plantillas

El método de plantillas es un método clave para preparar grafito poroso. Las plantillas duras, como las nanoesferas de sílice y el aluminio anodizado, tienen una forma regular y una estructura estable. En primer lugar, se introducen las fuentes de carbono, como la resina fenólica, en el hueco de la plantilla. Tras la carbonización a alta temperatura, la fuente de carbono se convierte en grafito y, a continuación, la plantilla se elimina con reactivos químicos, dejando poros. La plantilla flexible utiliza micelas formadas por autoensamblaje de tensioactivos para guiar la deposición de las fuentes de carbono. Y la estructura porosa se obtiene mediante tratamiento térmico. El método puede controlar con precisión los poros y preparar grafito poroso altamente ordenado. Pero la eliminación de la plantilla es complicada y el coste elevado.

Deposición química en fase vapor (CVD)

Bajo la acción de alta temperatura y catalizador, CVD descompone el metano, el etileno y otras fuentes gaseosas de carbono. Y los átomos de carbono se depositan en la superficie del sustrato para generar grafito. La velocidad de crecimiento y la estructura porosa del grafito pueden controlarse ajustando el flujo de gas, la temperatura, la presión y el catalizador. El grafito poroso preparado por este método tiene una alta cristalinidad y una estrecha unión con el sustrato. Es adecuado para la fabricación de semiconductores y otros campos. Pero el equipo es caro, la preparación es complicada y el rendimiento es bajo.

Método de activación

El método de activación utiliza grafito en polvoLas materias primas son la fibra de carbono y otros materiales de carbono. La activación física con vapor de agua a alta temperatura y dióxido de carbono graba los átomos de carbono para formar poros. La activación química permite que los materiales de carbono reaccionen con hidróxido de potasio, ácido fosfórico y otros reactivos a una temperatura más baja para crear agujeros. Como la activación con hidróxido de potasio después del lavado para eliminar la sal de potasio para dejar agujeros. Este método es sencillo y de bajo coste, y puede mejorar enormemente la superficie específica y la porosidad. Pero es difícil controlar con precisión la estructura de los poros, y la distribución del tamaño de los poros es amplia.

Microestructura y propiedades

Análisis de la estructura de los poros

El grafito poroso tiene tres tipos de poros: microporos, poros mesoporosos y poros grandes. El tamaño de los microporos es inferior a 2nm, lo que proporciona una gran superficie específica, propicia la adsorción de moléculas pequeñas. La apertura mesoporosa de 2-50nm, ayuda a la difusión del material. Los macroporos con aperturas superiores a 50nm son los canales por los que las sustancias entran en el interior. El tamaño de los poros del grafito poroso preparado por el método de plantilla es uniforme. Y la estructura de poros multietapa formada por el método de activación tiene en cuenta la eficacia de adsorción y transporte. Desempeña un papel destacado en el campo del medio ambiente y la energía.

Características de la estructura cristalina

El grafito poroso se basa en la estructura en capas del grafito, los átomos de carbono están unidos covalentemente para formar planos hexagonales. Las capas se mantienen gracias a las fuerzas de Van der Waals. La formación de poros provoca defectos en la red y una disposición desordenada, pero confiere al material propiedades especiales. Por ejemplo, en las baterías de iones de litio, estos defectos pueden proporcionar más sitios de almacenamiento para los iones de litio, acelerar la incrustación y liberación de iones. Y mejoran el rendimiento de carga y descarga de la batería y la estabilidad del ciclo.

Propiedades químicas de la superficie

El proceso de preparación y el tratamiento posterior determinan las propiedades químicas superficiales del grafito poroso. En el proceso, se introducen grupos funcionales como los grupos hidroxilo y carboxilo para dotar al material de actividad de reacción química. Por ejemplo, el grupo carboxilo puede reaccionar con sustancias alcalinas. Al mismo tiempo, estos grupos funcionales afectan a la hidrofilia y la dispersión del material. En aplicaciones de adsorción, la regulación de los grupos funcionales de la superficie puede lograr una adsorción eficaz de sustancias específicas. Por ejemplo, el grafito poroso que contiene aminoácidos puede adsorber gases ácidos.

Ventajas de rendimiento del grafito poroso

Alta superficie específica y propiedades de adsorción

El grafito poroso está lleno de abundantes poros, lo que crea una superficie específica muy elevada. Algunos de ellos pueden alcanzar miles de metros cuadrados por gramo. Esta característica proporciona un gran número de sitios de adsorción, mostrando una fuerte capacidad de adsorción para varias moléculas e iones en gases y líquidos. En comparación con los materiales de adsorción tradicionales, tiene una mayor capacidad de adsorción, mayor velocidad. Además, puede purificar eficazmente el medio ambiente y resolver el problema de la contaminación.

Excelente conductividad eléctrica

Al heredar las características intrínsecas del grafito, el grafito poroso posee una excelente conductividad eléctrica. Su exclusiva estructura cristalina en capas crea un canal eficaz para el transporte de electrones. Y aunque haya poros, es difícil que obstaculicen la conducción de electrones, y la conductividad sigue manteniéndose a un alto nivel. En el campo del almacenamiento y la conversión de energía, esta ventaja se pone de relieve. Puede conducir electrones rápidamente, reducir la resistencia interna, mejorar enormemente la eficiencia de carga y descarga y la densidad de potencia.

Buena estabilidad térmica

Gracias al fuerte enlace covalente entre átomos de carbono, el grafito poroso tiene una excelente estabilidad térmica. En un entorno de alta temperatura superior a 1000℃, la estructura puede mantenerse estable y no se produce una disminución evidente del rendimiento. Gracias a su estabilidad térmica, desempeña un papel importante en muchas aplicaciones de alta temperatura.

Aplicaciones del grafito poroso

Almacenamiento y conversión de energía

Batería de iones de litio

En las baterías de iones de litio, se puede utilizar como material de electrodo negativo. Sus ricos poros pueden almacenar más iones de litiomejoran la capacidad específica de la batería. La buena conductividad acelera la carga y descarga, facilita el cambio de volumen de carga y descarga, y prolonga la vida útil de la batería.

Supercondensadores

Se puede utilizar como electrodo de supercondensador, su elevada superficie específica puede formar un condensador de doble capa eléctrica. La excelente conductividad consigue una rápida transferencia de carga, por lo que el supercondensador tiene una alta densidad de potencia y unas características de carga y descarga rápidas.

Ámbito medioambiental

Tratamiento de aguas residuales

Tratamiento de aguas residuales de grafito poroso, basándose en la adsorción de alta superficie específica de contaminantes orgánicos, iones de metales pesados. Y también soporta catalizadores, degradación catalítica de contaminantes orgánicos, para lograr el tratamiento de aguas residuales inofensivo, purificación de la calidad del agua.

Depuración del aire

Con un alto rendimiento de adsorción, puede absorber sustancias nocivas como el dióxido de azufre, los óxidos de nitrógeno y los compuestos orgánicos volátiles del aire. Y se puede convertir en filtros purificadores de aire y revestimientos para mejorar la calidad del aire.

Catálisis

Portador de catalizador

Grafito poroso como portador de catalizador, alta superficie específica puede dispersar la sustancia activa. Buena estabilidad asegura su estabilidad estructural en la reacción catalítica, mejora la actividad del catalizador y la selectividad, ampliamente utilizado en reacciones químicas.

Participación directa en reacciones catalíticas

Sus defectos superficiales y grupos funcionales tienen actividad catalítica, se puede utilizar como catalizador no metálico en la reacción de síntesis orgánica. Las condiciones de reacción son suaves, alta selectividad, ayudar a la síntesis química verde, reducir la contaminación.

Otras zonas

Fabricación de semiconductores

Gracias a su buena estabilidad térmica y conductividad, puede utilizarse como componente de hornos de alta temperatura y material de disipación de calor. Para garantizar la estabilidad del proceso, resolver eficazmente el problema de disipación de calor del chip y mejorar el rendimiento del dispositivo.

Ciencias Biomédicas

El grafeno poroso con buena biocompatibilidad puede utilizarse como portador de fármacos para lograr una liberación controlada de fármacos. Y también se puede utilizar para preparar biosensores, detectar biomoléculas y ayudar en el diagnóstico precoz y el tratamiento de enfermedades.

Conclusiones

Como nuevo tipo de material de carbonoEl grafito poroso tiene una estructura única y un rendimiento excelente. Una variedad de métodos de preparación puede regular sus propiedades estructurales para satisfacer múltiples necesidades. Desempeña un papel importante en muchos campos. Y con el desarrollo de la tecnología, se espera que proporcione un soporte material clave para resolver problemas globales en el futuro.