Poreus grafiet - Een complete gids

Poreus grafiet is een nieuw type koolstofmateriaal en heeft veel aandacht getrokken op het gebied van materiaalkunde. Het behoudt de eigenschappen van geleidbaarheid en stabiliteit van grafiet en introduceert de poriënstructuur, die betere prestaties levert. En het heeft een groot potentieel op het gebied van energie, milieu, katalyse, enzovoort.

Bereidingsmethode van poreus grafiet

Sjabloonmethode

De sjabloonmethode is een belangrijke methode voor het prepareren van poreus grafiet. Harde sjablonen zoals silica nanosferen en geanodiseerd aluminium zijn regelmatig van vorm en stabiel van structuur. Vul eerst de koolstofbronnen zoals fenolhars in de opening van de sjabloon. Na carbonisatie bij hoge temperatuur wordt de koolstofbron omgezet in grafiet en wordt de sjabloon verwijderd met chemische reagentia, waardoor poriën achterblijven. De flexibele sjabloon maakt gebruik van micellen die gevormd worden door zelfassemblage van oppervlakteactieve stoffen om de afzetting van koolstofbronnen te begeleiden. De poreuze structuur wordt verkregen door warmtebehandeling. De methode kan de poriën nauwkeurig controleren en hoog geordend poreus grafiet bereiden. Maar het verwijderen van de sjabloon is ingewikkeld en de kosten zijn hoog.

Chemische dampdepositie (CVD)

Onder invloed van hoge temperatuur en katalysator, CVD ontbindt methaan, ethyleen en andere gasvormige koolstofbronnen. En koolstofatomen worden afgezet op het substraatoppervlak om grafiet te genereren. De groeisnelheid en poriënstructuur van grafiet kunnen worden geregeld door de gasstroom, temperatuur, druk en katalysator aan te passen. Het poreuze grafiet dat met deze methode wordt gemaakt, heeft een hoge kristalliniteit en een nauwe binding met het substraat. Het is geschikt voor de productie van halfgeleiders en andere gebieden. Maar de apparatuur is duur, de bereiding is ingewikkeld en de opbrengst is laag.

Activeringsmethode

De activeringsmethode gebruikt grafietpoederkoolstofvezel en andere gevormde koolstofmaterialen als grondstoffen. Fysieke activering met waterdamp op hoge temperatuur, kooldioxide etst koolstofatomen om poriën te vormen. Chemische activering laat koolstofmaterialen reageren met kaliumhydroxide, fosforzuur en andere reagentia bij een lagere temperatuur om gaten te maken. Zoals kaliumhydroxide activering na het wassen om kaliumzout te verwijderen om gaten achter te laten. Deze methode is eenvoudig en goedkoop en kan het specifieke oppervlak en de porositeit sterk verbeteren. Maar het is moeilijk om de poriestructuur nauwkeurig te controleren en de verdeling van de poriegrootte is groot.

Microstructuur en eigenschappen

Analyse van de poriestructuur

Poreus grafiet heeft drie soorten poriën: microporiën, mesoporeuze poriën en grote poriën. De microporiegrootte is minder dan 2 nm, waardoor een groot specifiek oppervlak ontstaat dat bevorderlijk is voor de adsorptie van kleine moleculen. Mesoporeuze apertuur 2-50nm, helpt materiaaldiffusie. Macroporiën met openingen groter dan 50 nm zijn de kanalen waardoor stoffen het inwendige binnendringen. De poriegrootte van poreus grafiet bereid met de sjabloonmethode is uniform. En de meerfasenporiënstructuur die wordt gevormd door de activeringsmethode houdt rekening met de adsorptie- en transportefficiëntie. Het speelt een prominente rol op het gebied van milieu en energie.

Kenmerken kristalstructuur

Poreus grafiet is gebaseerd op de gelaagde structuur van grafiet, koolstofatomen zijn covalent gebonden om zeshoekige vlakken te vormen. De lagen worden in stand gehouden door van der Waals krachten. De bereiding van poriën veroorzaakt roosterdefecten en ongeordende ordening, maar geeft het materiaal speciale eigenschappen. In lithium-ionbatterijen bijvoorbeeld kunnen deze defecten meer opslagplaatsen voor lithiumionen bieden en het insluiten en ontladen van ionen versnellen. En de laad- en ontlaadprestaties en cyclusstabiliteit van de batterij verbeteren.

Chemische oppervlakte-eigenschappen

Het voorbereidingsproces en de nabehandeling bepalen de chemische oppervlakte-eigenschappen van poreus grafiet. In het proces worden functionele groepen zoals hydroxyl- en carboxylgroepen geïntroduceerd om het materiaal chemische reactieactiviteit te geven. Zo kan de carboxylgroep reageren met alkalische stoffen. Tegelijkertijd beïnvloeden deze functionele groepen de hydrofiliciteit en dispersie van het materiaal. In adsorptietoepassingen kan het reguleren van de functionele groepen aan het oppervlak zorgen voor een efficiënte adsorptie van specifieke stoffen. Zo kan poreus grafiet met aminozuren zure gassen adsorberen.

Prestatievoordelen van poreus grafiet

Hoog specifiek oppervlak en adsorptie-eigenschappen

Het poreuze grafiet is gevuld met overvloedige poriën, waardoor een zeer hoog specifiek oppervlak ontstaat. Sommige kunnen duizenden vierkante meters per gram bereiken. Deze eigenschap zorgt voor een groot aantal adsorptieplaatsen, met een sterke adsorptiecapaciteit voor verschillende moleculen en ionen in gassen en vloeistoffen. Vergeleken met traditionele adsorptiematerialen heeft het een grotere adsorptiecapaciteit en een hogere snelheid. En het kan efficiënt het milieu zuiveren en het vervuilingsprobleem oplossen.

Uitstekende elektrische geleidbaarheid

Poreus grafiet erft de intrinsieke eigenschappen van grafiet en heeft een uitstekend elektrisch geleidingsvermogen. De unieke gelaagde kristalstructuur vormt een efficiënt kanaal voor elektronentransport. En zelfs als er poriën zijn, is het moeilijk om de elektronengeleiding te belemmeren en blijft de geleiding op een hoog niveau. Op het gebied van energieopslag en -omzetting wordt dit voordeel benadrukt. Het kan elektronen snel geleiden, de interne weerstand verminderen en de efficiëntie van laden en ontladen en de vermogensdichtheid sterk verbeteren.

Goede thermische stabiliteit

Dankzij de sterke covalente binding tussen koolstofatomen heeft poreus grafiet een uitstekende thermische stabiliteit. In een omgeving met hoge temperaturen boven de 1000℃ kan de structuur nog steeds stabiel worden gehouden en treedt er geen duidelijke prestatievermindering op. Dankzij de thermische stabiliteit speelt het een belangrijke rol in veel toepassingen bij hoge temperaturen.

Toepassingen van poreus grafiet

Energieopslag en -omzetting

Lithium-ion batterij

In lithium-ionbatterijen kun je het gebruiken als negatief elektrodemateriaal. De rijke poriën kunnen meer lithium-ionenverbeteren de specifieke capaciteit van de batterij. Het goede geleidingsvermogen versnelt het laden en ontladen, vergemakkelijkt de verandering van het laad- en ontlaadvolume en verlengt de levensduur van de batterij.

Supercondensatoren

Je kunt het gebruiken voor supercondensatorelektrode, het hoge specifieke oppervlak kan een dubbele elektrische laagcondensator vormen. Het uitstekende geleidingsvermogen zorgt voor een snelle ladingoverdracht, zodat de supercondensator een hoge vermogensdichtheid en snelle laad- en ontlaadkarakteristieken heeft.

Milieu

Behandeling van afvalwater

Poreus grafiet voor afvalwaterbehandeling, gebaseerd op adsorptie van organische verontreinigende stoffen, zware metaalionen met een hoog specifiek oppervlak. En het steunt ook katalysatoren, katalytische afbraak van organische verontreinigende stoffen, om onschadelijke afvalwaterbehandeling, zuivering van waterkwaliteit te bereiken.

Luchtzuivering

Met zijn hoge adsorptievermogen kan het schadelijke stoffen zoals zwaveldioxide, stikstofoxiden en vluchtige organische stoffen in de lucht absorberen. En je kunt er luchtzuiveringsfilters en coatings van maken om de luchtkwaliteit te verbeteren.

Katalyse

Katalysatordrager

Poreus grafiet als katalysatordrager, hoog specifiek oppervlak kan de actieve stof verspreiden. Goede stabiliteit garandeert de structurele stabiliteit in de katalytische reactie, verbetert de katalytische activiteit en selectiviteit, op grote schaal gebruikt in chemische reacties.

Directe deelname aan katalytische reacties

Zijn oppervlaktedefecten en functionele groepen hebben katalytische activiteit, u kunt het als niet-metaalkatalysator in organische synthesereactie gebruiken. De reactieomstandigheden zijn mild, hoge selectiviteit, helpen groene chemische synthese, verminderen vervuiling.

Andere gebieden

Productie van halfgeleiders

Dankzij de goede thermische stabiliteit en geleidbaarheid kunt u het gebruiken als ovencomponent op hoge temperatuur en als materiaal voor hittedissipatie. Om de processtabiliteit te waarborgen, het probleem van de spaanhittedissipatie effectief op te lossen en de apparaatprestaties te verbeteren.

Biomedische Wetenschappen

Poreus grafiet met een goede biocompatibiliteit kan worden gebruikt als medicijndrager voor gecontroleerde medicijnafgifte. Je kunt het ook gebruiken om biosensoren te maken, biomoleculen te detecteren en te helpen bij een vroege diagnose en behandeling van ziekten.

Conclusies

Als een nieuw type koolstofmateriaalporeus grafiet heeft een unieke structuur en uitstekende prestaties. Verschillende bereidingsmethoden kunnen de structurele eigenschappen regelen om aan meerdere behoeften te voldoen. Het speelt een belangrijke rol op vele gebieden. En met de ontwikkeling van de technologie zal het naar verwachting in de toekomst belangrijke materiële ondersteuning bieden voor het oplossen van wereldwijde problemen.