Пористий графіт - повний посібник

Пористий графіт - це новий тип вуглецевого матеріалу, який привертає велику увагу в галузі матеріалознавства. Він зберігає характеристики графітової провідності та стабільності, а також вводить пористу структуру, яка має кращі експлуатаційні характеристики. Він має великий потенціал у сферах енергетики, екології, каталізу тощо.

Спосіб отримання пористого графіту

Шаблонний метод

Метод шаблонів є ключовим методом отримання пористого графіту. Тверді шаблони, такі як наносфери кремнезему та анодований алюміній, мають правильну форму і стабільну структуру. Спочатку заповніть джерела вуглецю, такі як фенольна смола, в зазор шаблону. Після високотемпературної карбонізації джерело вуглецю перетворюється на графіт, а потім шаблон видаляється хімічними реагентами, залишаючи пори. Гнучкий шаблон використовує міцели, утворені шляхом самозбирання поверхнево-активних речовин, щоб направляти осадження джерел вуглецю. А пористу структуру отримують шляхом термічної обробки. Метод дозволяє точно контролювати пори і готувати високоупорядкований пористий графіт. Але видалення шаблону є складним, а вартість - високою.

Хімічне осадження з газової фази (CVD)

Під дією високої температури та каталізатора, CVD розкладає метан, етилен та інші газоподібні джерела вуглецю. Атоми вуглецю осідають на поверхні підкладки, утворюючи графіт. Швидкість росту і структуру пор графіту можна контролювати, регулюючи потік газу, температуру, тиск і каталізатор. Пористий графіт, отриманий цим методом, має високу кристалічність і міцне зчеплення з підкладкою. Він підходить для виробництва напівпровідників та інших галузей. Але обладнання дороге, підготовка складна, а вихід низький.

Спосіб активації

Метод активації використовує графітовий порошокСировиною слугує вуглець, вуглецеве волокно та інші формовані вуглецеві матеріали. Фізична активація високотемпературною водяною парою, вуглекислим газом витравлює атоми вуглецю, утворюючи пори. Хімічна активація дозволяє вуглецевим матеріалам реагувати з гідроксидом калію, фосфорною кислотою та іншими реагентами при більш низькій температурі для створення отворів. Наприклад, активація гідроксиду калію після промивання для видалення солі калію, щоб залишити отвори. Цей метод простий і недорогий, і може значно поліпшити питому поверхню і пористість. Але важко точно контролювати структуру пор, а розподіл пор за розміром широкий.

Мікроструктура та властивості

Аналіз структури пор

Пористий графіт має три типи пор: мікропори, мезопори і великі пори. Розмір мікропор менше 2 нм, що забезпечує велику питому поверхню, яка сприяє адсорбції малих молекул. Мезопори з діаметром 2-50 нм сприяють дифузії матеріалу. Макропори з отворами більше 50 нм є каналами, через які речовини потрапляють всередину. Розмір пор пористого графіту, отриманого шаблонним методом, рівномірний. А багатоступенева структура пор, сформована методом активації, враховує ефективність адсорбції та транспорту. Він відіграє важливу роль у галузі екології та енергетики.

Характеристики кристалічної структури

Пористий графіт базується на шаруватій структурі графіту, атоми вуглецю ковалентно зв'язані, утворюючи гексагональні площини. Шари підтримуються силами Ван-дер-Ваальса. Підготовка пор спричиняє дефекти решітки та невпорядковане розташування, але надає матеріалу особливих властивостей. Наприклад, у літій-іонних акумуляторах ці дефекти можуть забезпечити більше місць для зберігання іонів літію, прискорити вбудовування та вивільнення іонів. А також покращити продуктивність заряджання та розряджання акумулятора і стабільність циклу.

Хімічні властивості поверхні

Процес приготування та подальша обробка визначають поверхневі хімічні властивості пористого графіту. Під час цього процесу вводяться функціональні групи, такі як гідроксильні та карбоксильні групи, щоб надати матеріалу хімічної реакційної активності. Наприклад, карбоксильна група може реагувати з лужними речовинами. Водночас ці функціональні групи впливають на гідрофільність і дисперсність матеріалу. В адсорбційних застосуваннях, регулюючи поверхневі функціональні групи, можна досягти ефективної адсорбції певних речовин. Наприклад, пористий графіт, що містить амінокислоти, може адсорбувати кислі гази.

Експлуатаційні переваги пористого графіту

Висока питома поверхня та адсорбційні властивості

Пористий графіт наповнений великою кількістю пор, що створює дуже високу питому поверхню. Деякі з них можуть досягати тисячі квадратних метрів на грам. Ця особливість забезпечує велику кількість місць адсорбції, демонструючи сильну адсорбційну здатність для різних молекул та іонів в газах і рідинах. У порівнянні з традиційними адсорбційними матеріалами, він має більшу адсорбційну здатність, більшу швидкість. І це може ефективно очистити навколишнє середовище та вирішити проблему забруднення.

Відмінна електропровідність

Успадкувавши внутрішні характеристики графіту, пористий графіт має чудову електропровідність. Його унікальна шарувата кристалічна структура створює ефективний канал для транспортування електронів. І навіть якщо є пори, важко перешкодити електронній провідності, і провідність все одно підтримується на високому рівні. У сфері зберігання та перетворення енергії ця перевага особливо виділяється. Він може швидко проводити електрони, зменшувати внутрішній опір, значно покращувати ефективність заряду і розряду та щільність потужності.

Хороша термостійкість

Завдяки міцному ковалентному зв'язку між атомами вуглецю пористий графіт має чудову термостійкість. У високотемпературному середовищі понад 1000 ℃ структура все ще може залишатися стабільною, і не відбувається очевидного зниження продуктивності. Завдяки своїй термічній стабільності він відіграє важливу роль у багатьох високотемпературних застосуваннях.

Застосування пористого графіту

Зберігання та перетворення енергії

Літій-іонна батарея

У літій-іонних акумуляторах його можна використовувати як матеріал для негативного електрода. Його багаті пори можуть зберігати більше іони літіюпокращують питому ємність акумулятора. Хороша провідність прискорює заряд і розряд, полегшує зміну об'єму заряду і розряду, а також подовжує термін служби акумулятора.

Суперконденсатори

Ви можете використовувати його для електродів суперконденсатора, його висока питома поверхня може утворювати конденсатор з подвійним електричним шаром. Відмінна провідність забезпечує швидку передачу заряду, завдяки чому суперконденсатор має високу щільність потужності, швидкі характеристики заряду і розряду.

Екологічна сфера

Очищення стічних вод

Пористий графіт очищає стічні води, спираючись на високу питому поверхню адсорбції органічних забруднювачів, іонів важких металів. А також підтримує каталізатори, каталітичну деградацію органічних забруднювачів, для досягнення нешкідливого очищення стічних вод, очищення якості води.

Очищення повітря

Завдяки високій адсорбційній здатності він може поглинати шкідливі речовини, такі як діоксид сірки, оксиди азоту та леткі органічні сполуки, що містяться в повітрі. З нього можна виготовляти фільтри для очищення повітря та покриття для покращення якості повітря.

Каталіз

Носій каталізатора

Пористий графіт як носій каталізатора, з високою питомою поверхнею може диспергувати активну речовину. Хороша стабільність забезпечує його структурну стійкість в каталітичній реакції, покращує активність і селективність каталізатора, широко використовується в хімічних реакціях.

Безпосередня участь у каталітичних реакціях

Його поверхневі дефекти та функціональні групи мають каталітичну активність, його можна використовувати як неметалевий каталізатор в реакціях органічного синтезу. Умови реакції м'які, висока селективність, сприяють екологічно чистому хімічному синтезу, зменшують забруднення навколишнього середовища.

Інші напрямки

Виробництво напівпровідників

Завдяки хорошій термічній стабільності та провідності, ви можете використовувати його як високотемпературний компонент печі та матеріал для розсіювання тепла. Забезпечити стабільність процесу, ефективно вирішити проблему відводу тепла стружки та підвищити продуктивність пристрою.

Біомедичні науки

Пористий графіт з хорошою біосумісністю можна використовувати як носій лікарських засобів для досягнення контрольованого вивільнення ліків. А ще його можна використовувати для підготовки біосенсорів, виявлення біомолекул і допомоги в ранній діагностиці та лікуванні захворювань.

Висновки

Як новий тип вуглецевий матеріалПористий графіт має унікальну структуру та відмінні експлуатаційні характеристики. Різноманітні методи отримання дозволяють регулювати його структурні властивості для задоволення різноманітних потреб. Він відіграє важливу роль у багатьох галузях. А з розвитком технологій очікується, що в майбутньому він надасть ключову матеріальну підтримку для вирішення глобальних проблем.