Пористый графит - полное руководство

Пористый графит - это новый тип углеродного материала, который привлек большое внимание в области материаловедения. Он сохраняет характеристики графитовой проводимости и стабильности, а также вводит структуру пор, которая обладает лучшими характеристиками. Он имеет большой потенциал в области энергетики, экологии, катализа и так далее.

Метод получения пористого графита

Шаблонный метод

Метод шаблонов - один из основных методов получения пористого графита. Твердые шаблоны, такие как наносферы из диоксида кремния и анодированный алюминий, имеют правильную форму и стабильную структуру. Сначала в зазор шаблона засыпают источник углерода, например фенольную смолу. После высокотемпературной карбонизации источник углерода превращается в графит, а затем шаблон удаляется с помощью химических реагентов, оставляя поры. Гибкий шаблон использует мицеллы, образованные в результате самосборки поверхностно-активных веществ, чтобы направлять осаждение источников углерода. Пористая структура получается в результате термообработки. Метод позволяет точно контролировать поры и готовить высокоупорядоченный пористый графит. Однако удаление шаблона затруднено, а стоимость высока.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

Под действием высокой температуры и катализатора, CVD разлагает метан, этилен и другие газообразные источники углерода. Атомы углерода осаждаются на поверхности подложки, образуя графит. Скорость роста и структуру пор графита можно контролировать, регулируя поток газа, температуру, давление и катализатор. Пористый графит, полученный этим методом, имеет высокую кристалличность и плотное сцепление с подложкой. Он подходит для производства полупроводников и других областей. Однако оборудование дорого, процесс приготовления сложен, а выход продукта невелик.

Метод активации

Метод активации использует графитовый порошокВ качестве сырья используется углеродное волокно и другие сформированные углеродные материалы. Физическая активация с помощью высокотемпературного водяного пара, диоксида углерода вытравливает атомы углерода, образуя поры. Химическая активация позволяет углеродным материалам реагировать с гидроксидом калия, фосфорной кислотой и другими реагентами при более низкой температуре для создания отверстий. Например, активация гидроксидом калия после промывки для удаления калийной соли, чтобы оставить отверстия. Этот метод прост и недорог, он может значительно улучшить удельную площадь поверхности и пористость. Однако трудно точно контролировать структуру пор, а распределение пор по размерам очень широкое.

Микроструктура и свойства

Анализ структуры пор

Пористый графит имеет три вида пор: микропоры, мезопористые поры и крупные поры. Размер микропор составляет менее 2 нм, что обеспечивает большую удельную поверхность, благоприятную для адсорбции малых молекул. Мезопористые апертуры 2-50 нм способствуют диффузии материала. Макропоры с апертурой более 50 нм являются каналами, через которые вещества попадают внутрь. Размер пор пористого графита, приготовленного методом шаблонов, однороден. А многоступенчатая структура пор, сформированная методом активации, учитывает эффективность адсорбции и транспорта. Он играет важную роль в области экологии и энергетики.

Характеристики кристаллической структуры

Пористый графит основан на слоистой структуре графита, атомы углерода ковалентно связаны между собой, образуя гексагональные плоскости. Слои поддерживаются силами Ван-дер-Ваальса. Образование пор приводит к дефектам решетки и неупорядоченному расположению, но придает материалу особые свойства. Например, в литий-ионных батареях эти дефекты могут обеспечить больше мест для хранения ионов лития, ускорить их встраивание и высвобождение. А также улучшить характеристики зарядки и разрядки батареи и стабильность цикла.

Химические свойства поверхности

Процесс подготовки и последующая обработка определяют химические свойства поверхности пористого графита. В процессе подготовки в материал вводятся функциональные группы, такие как гидроксильные и карбоксильные, для придания ему активности в химических реакциях. Например, карбоксильная группа может реагировать со щелочными веществами. В то же время эти функциональные группы влияют на гидрофильность и дисперсность материала. В адсорбционных приложениях регулирование функциональных групп поверхности позволяет добиться эффективной адсорбции определенных веществ. Например, пористый графит, содержащий аминокислоты, может адсорбировать кислые газы.

Эксплуатационные преимущества пористого графита

Высокая удельная площадь поверхности и адсорбционные свойства

Пористый графит заполнен большим количеством пор, что создает очень высокую удельную поверхность. Некоторые из них могут достигать тысячи квадратных метров на грамм. Эта особенность обеспечивает большое количество адсорбционных площадок, демонстрируя сильную адсорбционную способность для различных молекул и ионов в газах и жидкостях. По сравнению с традиционными адсорбционными материалами, он обладает большей адсорбционной способностью, более высокой скоростью. Он может эффективно очищать окружающую среду и решать проблему загрязнения.

Отличная электропроводность

Унаследовав присущие графиту свойства, пористый графит обладает превосходной электропроводностью. Его уникальная слоистая кристаллическая структура создает эффективный канал для переноса электронов. И даже если в нем есть поры, им трудно препятствовать проведению электронов, и проводимость остается на высоком уровне. В области хранения и преобразования энергии это преимущество особенно важно. Он может быстро проводить электроны, снижать внутреннее сопротивление, значительно повышать эффективность заряда и разряда и плотность мощности.

Хорошая термическая стабильность

Благодаря прочной ковалентной связи между атомами углерода пористый графит обладает отличной термической стабильностью. В условиях высоких температур свыше 1000℃ структура может оставаться стабильной, и очевидного снижения производительности не происходит. Благодаря своей термической стабильности он играет важную роль во многих высокотемпературных приложениях.

Области применения пористого графита

Накопление и преобразование энергии

Литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных батареях его можно использовать в качестве материала отрицательного электрода. Его богатые поры могут хранить больше ионы лития, улучшают удельную емкость батареи. Хорошая проводимость ускоряет заряд и разряд, облегчает изменение объема заряда и разряда и продлевает срок службы батареи.

Суперконденсаторы

Вы можете использовать его для электрода суперконденсатора, его высокая удельная площадь поверхности может сформировать двойной электрический слой конденсатора. Благодаря отличной проводимости достигается быстрая передача заряда, так что суперконденсатор имеет высокую плотность мощности, быстрые характеристики заряда и разряда.

Экологическая сфера

Очистка сточных вод

Пористый графит для очистки сточных вод, опираясь на высокую удельную площадь поверхности, адсорбирует органические загрязнители, ионы тяжелых металлов. Кроме того, он поддерживает катализаторы, каталитическое разложение органических загрязнителей, чтобы достичь безвредной очистки сточных вод, очистить качество воды.

Очистка воздуха

Обладая высокой адсорбционной способностью, он может поглощать вредные вещества, такие как диоксид серы, оксиды азота и летучие органические соединения в воздухе. Его можно использовать в фильтрах и покрытиях для очистки воздуха, чтобы улучшить его качество.

Катализ

Носитель катализатора

Пористый графит в качестве носителя катализатора, высокая удельная поверхность позволяет диспергировать активное вещество. Хорошая стабильность обеспечивает его структурную устойчивость в каталитической реакции, повышает активность и селективность катализатора, широко используется в химических реакциях.

Непосредственное участие в каталитических реакциях

Его поверхностные дефекты и функциональные группы обладают каталитической активностью, вы можете использовать его в качестве неметаллического катализатора в реакциях органического синтеза. Условия реакции мягкие, высокая селективность, способствуют экологичному химическому синтезу, снижают загрязнение окружающей среды.

Другие области

Производство полупроводников

Благодаря хорошей термической стабильности и проводимости, его можно использовать в качестве компонента высокотемпературной печи и материала для рассеивания тепла. Это позволит обеспечить стабильность процесса, эффективно решить проблему теплоотвода чипа и повысить производительность устройства.

Биомедицинская наука

Пористый графит с хорошей биосовместимостью может быть использован в качестве носителя лекарств для достижения контролируемого высвобождения лекарств. Кроме того, с его помощью можно создавать биосенсоры, обнаруживать биомолекулы и помогать в ранней диагностике и лечении заболеваний.

Выводы

Как новый тип углеродный материалПористый графит обладает уникальной структурой и отличными эксплуатационными характеристиками. Разнообразные методы подготовки могут регулировать его структурные свойства для удовлетворения различных потребностей. Он играет важную роль во многих областях. А с развитием технологий ожидается, что в будущем он станет ключевым материалом для решения глобальных проблем.