Grafite poroso - um guia completo

O grafite poroso é um novo tipo de material de carbono e tem atraído muita atenção no campo da ciência dos materiais. Ele mantém as características de condutividade e estabilidade do grafite e introduz a estrutura de poros, que tem melhor desempenho. Além disso, tem grande potencial nas áreas de energia, meio ambiente, catálise e assim por diante.

Método de preparação de grafite poroso

Método de modelo

O método do molde é um método fundamental para a preparação de grafite poroso. Os modelos rígidos, como as nanoesferas de sílica e o alumínio anodizado, têm formato regular e estrutura estável. Primeiro, preencha as fontes de carbono, como a resina fenólica, na lacuna do modelo. E após a carbonização em alta temperatura, a fonte de carbono é convertida em grafite e, em seguida, o modelo é removido com reagentes químicos, deixando poros. O modelo flexível usa micelas formadas pela automontagem de surfactantes para orientar a deposição de fontes de carbono. E a estrutura porosa é obtida por tratamento térmico. O método pode controlar com precisão os poros e preparar grafite poroso altamente ordenado. Mas a remoção do modelo é complicada e o custo é alto.

Deposição de vapor químico (CVD)

Sob a ação de alta temperatura e catalisador, CVD decompõe o metano, o etileno e outras fontes de carbono gasoso. E os átomos de carbono são depositados na superfície do substrato para gerar grafite. A taxa de crescimento e a estrutura de poros do grafite podem ser controladas ajustando-se o fluxo de gás, a temperatura, a pressão e o catalisador. O grafite poroso preparado por esse método tem alta cristalinidade e ligação estreita com o substrato. Ele é adequado para a fabricação de semicondutores e outros campos. Mas o equipamento é caro, a preparação é complicada e o rendimento é baixo.

Método de ativação

O método de ativação usa pó de grafiteO material é feito de fibra de carbono, fibra de carbono e outros materiais de carbono formados como matérias-primas. A ativação física com vapor de água em alta temperatura, o dióxido de carbono grava os átomos de carbono para formar poros. A ativação química permite que os materiais de carbono reajam com hidróxido de potássio, ácido fosfórico e outros reagentes em uma temperatura mais baixa para criar orifícios. Por exemplo, a ativação com hidróxido de potássio após a lavagem para remover o sal de potássio e deixar orifícios. Esse método é simples e de baixo custo, e pode melhorar muito a área de superfície específica e a porosidade. No entanto, é difícil controlar com precisão a estrutura dos poros, e a distribuição do tamanho dos poros é ampla.

Microestrutura e propriedades

Análise da estrutura de poros

O grafite poroso tem três tipos de poros: microporos, poros mesoporosos e poros grandes. O tamanho dos microporos é inferior a 2 nm, proporcionando uma grande área de superfície específica, o que favorece a adsorção de pequenas moléculas. A abertura mesoporosa de 2 a 50 nm ajuda na difusão do material. Os macroporos com aberturas maiores que 50 nm são os canais pelos quais as substâncias entram no interior. O tamanho dos poros do grafite poroso preparado pelo método de modelo é uniforme. E a estrutura de poros em vários estágios formada pelo método de ativação leva em conta a eficiência de adsorção e transporte. Ele desempenha um papel importante no campo do meio ambiente e da energia.

Características da estrutura cristalina

O grafite poroso baseia-se na estrutura em camadas do grafite, em que os átomos de carbono são ligados covalentemente para formar planos hexagonais. E as camadas são mantidas por forças de van der Waals. A preparação de poros causa defeitos de rede e arranjo desordenado, mas confere ao material propriedades especiais. Por exemplo, em baterias de íons de lítio, esses defeitos podem fornecer mais locais de armazenamento para íons de lítio, acelerar a incorporação e a liberação de íons. Além disso, melhoram o desempenho de carga e descarga da bateria e a estabilidade do ciclo.

Propriedades químicas da superfície

O processo de preparação e o pós-tratamento determinam as propriedades químicas da superfície do grafite poroso. No processo, grupos funcionais, como os grupos hidroxila e carboxila, são introduzidos para dar ao material atividade de reação química. O grupo carboxila, por exemplo, pode reagir com substâncias alcalinas. Ao mesmo tempo, esses grupos funcionais afetam a hidrofilicidade e a dispersão do material. Em aplicações de adsorção, a regulagem dos grupos funcionais da superfície pode obter uma adsorção eficiente de substâncias específicas. Por exemplo, o grafite poroso contendo aminoácidos pode adsorver gases ácidos.

Vantagens de desempenho do grafite poroso

Alta área de superfície específica e propriedades de adsorção

O grafite poroso é preenchido com poros abundantes, criando uma área de superfície específica muito alta. Alguns deles podem chegar a milhares de metros quadrados por grama. Esse recurso fornece um grande número de locais de adsorção, mostrando uma forte capacidade de adsorção para várias moléculas e íons em gases e líquidos. Em comparação com os materiais de adsorção tradicionais, ele tem maior capacidade de adsorção e velocidade mais rápida. Além disso, pode purificar com eficiência o meio ambiente e resolver o problema da poluição.

Excelente condutividade elétrica

Herdando as características intrínsecas do grafite, o grafite poroso tem excelente condutividade elétrica. Sua estrutura cristalina em camadas exclusiva cria um canal eficiente para o transporte de elétrons. E mesmo que haja poros, é difícil impedir a condução de elétrons, e a condutividade ainda é mantida em um nível alto. No campo do armazenamento e da conversão de energia, essa vantagem é destacada. Ele pode conduzir elétrons rapidamente, reduzir a resistência interna, melhorar muito a eficiência de carga e descarga e a densidade de energia.

Boa estabilidade térmica

Graças à forte ligação covalente entre os átomos de carbono, o grafite poroso tem excelente estabilidade térmica. No ambiente de alta temperatura acima de 1.000°C, a estrutura ainda pode ser mantida estável e não há queda evidente no desempenho. Graças à sua estabilidade térmica, ele desempenha um papel importante em muitas aplicações de alta temperatura.

Aplicações do grafite poroso

Armazenamento e conversão de energia

Bateria de íons de lítio

Nas baterias de íons de lítio, pode ser usado como material de eletrodo negativo. Seus poros ricos podem armazenar mais íons de lítioA boa condutividade melhora a capacidade específica da bateria. A boa condutividade acelera a carga e a descarga, facilita a alteração do volume de carga e descarga e prolonga a vida útil da bateria.

Supercapacitores

Você pode usá-lo como eletrodo de supercapacitor, pois sua alta área de superfície específica pode formar um capacitor de camada elétrica dupla. A excelente condutividade permite a rápida transferência de carga, de modo que o supercapacitor tem alta densidade de potência e características de carga e descarga rápidas.

Área ambiental

Tratamento de águas residuais

O tratamento de águas residuais com grafite poroso baseia-se na adsorção de poluentes orgânicos e íons de metais pesados em uma área de superfície específica elevada. Além disso, ele também suporta catalisadores, degradação catalítica de poluentes orgânicos, para alcançar o tratamento inofensivo de águas residuais e a purificação da qualidade da água.

Purificação do ar

Com alto desempenho de adsorção, ele pode absorver substâncias nocivas, como dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis no ar. E você pode transformá-lo em filtros e revestimentos de purificação de ar para melhorar a qualidade do ar.

Catálise

Transportador de catalisador

O grafite poroso como transportador de catalisador, com alta área de superfície específica, pode dispersar a substância ativa. A boa estabilidade garante sua estabilidade estrutural na reação catalítica, melhora a atividade e a seletividade do catalisador e é amplamente utilizada em reações químicas.

Participação direta em reações catalíticas

Seus defeitos de superfície e grupos funcionais têm atividade catalítica e podem ser usados como catalisadores não metálicos na reação de síntese orgânica. As condições de reação são brandas, de alta seletividade, ajudam a síntese química verde e reduzem a poluição.

Outras áreas

Fabricação de semicondutores

Com sua boa estabilidade térmica e condutividade, ele pode ser usado como componente de forno de alta temperatura e material de dissipação de calor. Para garantir a estabilidade do processo, resolva efetivamente o problema de dissipação de calor do chip e melhore o desempenho do dispositivo.

Ciências Biomédicas

O grafite poroso com boa biocompatibilidade pode ser usado como transportador de medicamentos para obter a liberação controlada de medicamentos. E também pode ser usado para preparar biossensores, detectar biomoléculas e auxiliar no diagnóstico precoce e no tratamento de doenças.

Conclusões

Como um novo tipo de material de carbonoO grafite poroso tem estrutura exclusiva e excelente desempenho. Uma variedade de métodos de preparação pode regular suas propriedades estruturais para atender a várias necessidades. Ele desempenha um papel importante em muitos campos. E, com o desenvolvimento da tecnologia, espera-se que, no futuro, ele forneça suporte material fundamental para a solução de problemas globais.