Grafit Berpori - Panduan Lengkap

Grafit berpori adalah jenis material karbon baru dan telah menarik banyak perhatian di bidang ilmu material. Ini mempertahankan karakteristik konduktivitas dan stabilitas grafit, dan memperkenalkan struktur pori, yang memiliki kinerja yang lebih baik. Dan memiliki potensi besar di bidang energi, lingkungan, katalisis, dan sebagainya.

Metode persiapan grafit berpori

Metode templat

Metode template adalah metode utama untuk menyiapkan grafit berpori. Templat keras seperti nanosfer silika dan aluminium anodized memiliki bentuk yang teratur dan struktur yang stabil. Pertama, isi sumber karbon seperti resin fenolik ke dalam celah template. Dan setelah karbonisasi suhu tinggi, sumber karbon diubah menjadi grafit, dan kemudian templat dihilangkan dengan reagen kimia, meninggalkan pori-pori. Templat fleksibel menggunakan misel yang dibentuk oleh perakitan sendiri surfaktan untuk memandu pengendapan sumber karbon. Dan struktur berpori diperoleh dengan perlakuan panas. Metode ini dapat secara akurat mengontrol pori-pori dan menyiapkan grafit berpori yang sangat teratur. Tetapi penghapusan template rumit dan biayanya tinggi.

Deposisi Uap Kimia (CVD)

Di bawah aksi suhu tinggi dan katalis, CVD menguraikan metana, etilena, dan sumber karbon gas lainnya. Dan atom karbon diendapkan pada permukaan substrat untuk menghasilkan grafit. Laju pertumbuhan dan struktur pori grafit dapat dikontrol dengan mengatur aliran gas, suhu, tekanan, dan katalis. Grafit berpori yang dibuat dengan metode ini memiliki kristalinitas tinggi dan ikatan yang erat dengan substrat. Sangat cocok untuk manufaktur semikonduktor dan bidang lainnya. Tetapi peralatannya mahal, persiapannya rumit dan hasilnya rendah.

Metode Aktivasi

Metode aktivasi menggunakan bubuk grafitserat karbon dan bahan karbon yang dibentuk lainnya sebagai bahan baku. Aktivasi fisik dengan uap air bersuhu tinggi, karbon dioksida mengetsa atom karbon untuk membentuk pori-pori. Aktivasi kimia memungkinkan bahan karbon bereaksi dengan kalium hidroksida, asam fosfat, dan reagen lain pada suhu yang lebih rendah untuk membuat lubang. Seperti aktivasi kalium hidroksida setelah pencucian untuk menghilangkan garam kalium untuk meninggalkan lubang. Metode ini sederhana dan berbiaya rendah, dan dapat sangat meningkatkan luas permukaan spesifik dan porositas. Tetapi sulit untuk mengontrol struktur pori secara akurat, dan distribusi ukuran pori lebar.

Struktur Mikro dan Properti

Analisis struktur pori

Grafit berpori memiliki tiga jenis pori: pori mikro, pori mesopori, dan pori besar. Ukuran mikropori kurang dari 2nm, memberikan luas permukaan spesifik yang besar, yang kondusif untuk adsorpsi molekul kecil. Bukaan mesopori 2-50nm, membantu difusi material. Makropori dengan bukaan lebih besar dari 50nm adalah saluran tempat zat masuk ke bagian dalam. Ukuran pori grafit berpori yang dibuat dengan metode template seragam. Dan struktur pori multi-tahap yang dibentuk dengan metode aktivasi memperhitungkan efisiensi adsorpsi dan transportasi. Ini memainkan peran penting dalam bidang lingkungan dan energi.

Karakteristik struktur kristal

Grafit berpori didasarkan pada struktur berlapis grafit, atom karbon terikat secara kovalen membentuk bidang heksagonal. Dan lapisan-lapisan tersebut dipertahankan oleh gaya van der Waals. Penyusunan pori-pori menyebabkan cacat kisi dan pengaturan yang tidak teratur, tetapi memberikan sifat khusus pada material. Misalnya, pada baterai lithium-ion, cacat ini dapat menyediakan lebih banyak tempat penyimpanan untuk ion lithium, mempercepat penyematan dan pelepasan ion. Dan meningkatkan kinerja pengisian dan pengosongan baterai serta stabilitas siklus.

Sifat kimia permukaan

Proses persiapan dan pasca-perawatan menentukan sifat kimia permukaan grafit berpori. Dalam prosesnya, gugus fungsi seperti gugus hidroksil dan karboksil diperkenalkan untuk memberikan aktivitas reaksi kimia material. Seperti gugus karboksil dapat bereaksi dengan zat basa. Pada saat yang sama, gugus fungsi ini mempengaruhi hidrofilisitas dan dispersi material. Dalam aplikasi adsorpsi, mengatur gugus fungsi permukaan dapat mencapai adsorpsi yang efisien dari zat tertentu. Seperti grafit berpori yang mengandung asam amino dapat menyerap gas asam.

Keunggulan kinerja grafit berpori

Luas permukaan spesifik dan sifat adsorpsi yang tinggi

Grafit berpori diisi dengan pori-pori yang melimpah, menciptakan luas permukaan spesifik yang sangat tinggi. Beberapa di antaranya bisa mencapai ribuan meter persegi per gram. Fitur ini menyediakan sejumlah besar situs adsorpsi, menunjukkan kapasitas adsorpsi yang kuat untuk berbagai molekul dan ion dalam gas dan cairan. Dibandingkan dengan bahan adsorpsi tradisional, ia memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih besar, kecepatan lebih cepat. Dan secara efisien dapat memurnikan lingkungan dan memecahkan masalah polusi.

Konduktivitas listrik yang sangat baik

Mewarisi karakteristik intrinsik grafit, grafit berpori memiliki konduktivitas listrik yang sangat baik. Struktur kristal berlapisnya yang unik, membangun saluran yang efisien untuk transpor elektron. Dan, meskipun terdapat pori-pori, namun sulit untuk menghalangi konduksi elektron, dan konduktivitasnya tetap dipertahankan pada level yang tinggi. Di bidang penyimpanan dan konversi energi, keunggulan ini disorot. Ini dapat dengan cepat menghantarkan elektron, mengurangi hambatan internal, sangat meningkatkan efisiensi pengisian dan pengosongan, serta kepadatan daya.

Stabilitas termal yang baik

Berkat ikatan kovalen yang kuat di antara atom karbon, grafit berpori memiliki stabilitas termal yang sangat baik. Dalam lingkungan suhu tinggi di atas 1000 ℃, strukturnya masih dapat dipertahankan stabil, dan tidak ada penurunan kinerja yang nyata. Berkat stabilitas termalnya, ini memainkan peran penting dalam banyak aplikasi suhu tinggi.

Aplikasi grafit berpori

Penyimpanan dan konversi energi

Baterai lithium ion

Pada baterai lithium-ion, Anda dapat menggunakannya sebagai bahan elektroda negatif. Pori-porinya yang kaya dapat menyimpan lebih banyak ion lithiummeningkatkan kapasitas spesifik baterai. Konduktivitas yang baik mempercepat pengisian dan pengosongan, memudahkan perubahan volume pengisian dan pengosongan, dan memperpanjang masa pakai baterai.

Superkapasitor

Anda dapat menggunakannya untuk elektroda superkapasitor, luas permukaan spesifiknya yang tinggi dapat membentuk kapasitor lapisan listrik ganda. Konduktivitas yang sangat baik menghasilkan transfer muatan yang cepat, sehingga superkapasitor memiliki kepadatan daya yang tinggi, karakteristik pengisian dan pengosongan yang cepat.

Bidang lingkungan

Pengolahan air limbah

Pengolahan air limbah grafit berpori, mengandalkan adsorpsi luas permukaan spesifik yang tinggi dari polutan organik, ion logam berat. Dan juga mendukung katalis, degradasi katalitik polutan organik, untuk mencapai pengolahan air limbah yang tidak berbahaya, pemurnian kualitas air.

Pemurnian udara

Dengan kinerja adsorpsi yang tinggi, ia dapat menyerap zat berbahaya seperti sulfur dioksida, nitrogen oksida, dan senyawa organik yang mudah menguap di udara. Dan Anda dapat membuatnya menjadi filter dan pelapis pemurnian udara untuk meningkatkan kualitas udara.

Katalisis

Pembawa katalis

Grafit berpori sebagai pembawa katalis, luas permukaan spesifik yang tinggi dapat mendispersikan zat aktif. Stabilitas yang baik memastikan stabilitas struktural dalam reaksi katalitik, meningkatkan aktivitas katalis dan selektivitas, banyak digunakan dalam reaksi kimia.

Partisipasi langsung dalam reaksi katalitik

Cacat permukaan dan gugus fungsinya memiliki aktivitas katalitik, Anda dapat menggunakannya sebagai katalis non-logam dalam reaksi sintesis organik. Kondisi reaksinya ringan, selektivitas tinggi, membantu sintesis kimia hijau, mengurangi polusi.

Area lainnya

Manufaktur semikonduktor

Dengan stabilitas dan konduktivitas termalnya yang baik, Anda dapat menggunakannya sebagai komponen tungku bersuhu tinggi dan bahan pembuangan panas. Untuk memastikan stabilitas proses, secara efektif menyelesaikan masalah pembuangan panas chip, dan meningkatkan kinerja perangkat.

Ilmu Biomedis

Grafit berpori dengan biokompatibilitas yang baik dapat digunakan sebagai pembawa obat untuk mencapai pelepasan obat yang terkontrol. Anda juga dapat menggunakannya untuk menyiapkan biosensor, mendeteksi biomolekul, dan membantu diagnosis dini dan pengobatan penyakit.

Kesimpulan

Sebagai jenis baru dari bahan karbongrafit berpori memiliki struktur yang unik dan kinerja yang sangat baik. Berbagai metode persiapan dapat mengatur sifat strukturalnya untuk memenuhi berbagai kebutuhan. Ini memainkan peran penting dalam banyak bidang. Dan dengan perkembangan teknologi, diharapkan dapat memberikan dukungan material utama untuk memecahkan masalah global di masa depan.