Vật liệu gốc carbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ năng lượng, khoa học môi trường và hóa học vật liệu. Trong vài thập kỷ qua, nhiều học giả trong và ngoài nước đã phát triển thành công nhiều loại vật liệu dựa trên carbon mới nổi như than sinh học, graphene, graphene oxit (GO), ống nano carbon, sợi nano carbon, quả cầu carbon, aerogel carbon, nitơ -pha tạp cacbon và cacbon nitrit pha than chì. Airgel là một loại vật liệu rắn mới có cấu trúc xốp siêu mịn và mật độ thấp. Kể từ khi ra đời vào năm 1931, nó luôn thu hút được sự chú ý rộng rãi. Với sự tiến bộ không ngừng của thời gian, các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá và tối ưu hóa các phương pháp điều chế aerogel, từ aerogel silica vô cơ ban đầu dần dần phát triển thành aerogel hữu cơ, sau đó mở rộng sang aerogel carbon, và tương ứng, phạm vi ứng dụng của aerogel cũng đang tiếp tục mở rộng.
Aerogel gốc carbon là một loại vật liệu carbon xốp nano mới thu được bằng quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ, sử dụng aerogel hữu cơ làm tiền chất. Chúng có đặc tính kép của cả aerogel và vật liệu gốc carbon. Do mật độ thấp, diện tích bề mặt riêng cao và độ xốp cao, aerogel gốc carbon đã được sử dụng rộng rãi trong việc lưu trữ năng lượng, hấp phụ, cảm biến, che chắn và hấp thụ điện từ.
Nguồn hình ảnh:Tạp chí khoa học keo và giao diện
Phân loại aerogel gốc cacbon:
Dựa trên sự khác biệt của các nguồn nguyên liệu thô, aerogel carbon có thể được chia thành ba loại: aerogel carbon dựa trên than chì, aerogel carbon hữu cơ và aerogel tổng hợp carbon.
Đối với aerogel carbon dựa trên than chì, chẳng hạn như aerogel graphene và aerogel ống nano carbon, vật liệu than chì-cacbon được kết hợp trực tiếp thành cấu trúc aerogel ba chiều bằng quy trình lắp ráp thích hợp. Do tính dẫn điện cao, các vật liệu aerogel carbon này được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử và cảm biến.
Vật liệu tiền thân của aerogel carbon hữu cơ thuộc về chất hữu cơ, được chuyển thành vật liệu carbon sau quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ cao, và sau đó cấu trúc xốp ba chiều được xây dựng với sự trợ giúp của quá trình lắp ráp. Các aerogel gốc carbon này có thể được chia thành aerogel carbon sinh khối và aerogel carbon dựa trên polymer. Do đặc tính hấp phụ tuyệt vời và đặc điểm cấu trúc độc đáo, chúng có tiềm năng ứng dụng và phát triển rộng rãi trong lĩnh vực bảo vệ môi trường và năng lượng.
Aerogel tổng hợp carbon là một xu hướng phát triển rất quan trọng trong lĩnh vực aerogel dựa trên carbon trong những năm gần đây. Bằng cách đưa vào các nhóm hữu cơ hoặc polymer, tỷ lệ giữa các thành phần có thể được điều chỉnh và kiểm soát, sau đó các vấn đề của vật liệu aerogel dựa trên carbon một thành phần như độ giòn cao hơn, độ ẩm dễ dàng, tính linh hoạt kém, v.v. có thể được tối ưu hóa. Trong khi vẫn duy trì các đặc tính tuyệt vời, aerogel tổng hợp carbon đạt được sự bổ sung chức năng giữa các vật liệu khác nhau, mở ra không gian rộng hơn cho ứng dụng aerogel gốc carbon.
Chuẩn bị aerogel gốc carbon:
Quá trình điều chế aerogel gốc carbon thường bao gồm ba bước sau: (1) tách tiền chất, tạo gel sol và lão hóa; ② Gel khô trở thành aerogel; ③ Cacbon hóa aerogel để thu được aerogel gốc cacbon. Aerogel gốc carbon đã cho thấy hiệu suất tốt trong nhiều ứng dụng, nhưng quy trình chuẩn bị phức tạp, chi phí cao và năng suất thấp đã hạn chế ứng dụng thực tế của nó. Các phương pháp điều chế vật liệu aerogel gốc carbon chủ yếu bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp lắng đọng hơi hóa học và phương pháp mẫu băng.
Ứng dụng của aerogel gốc carbon:
Aerogel gốc carbon là một loại vật liệu carbon nhẹ, xốp, vô định hình có cấu trúc nano. Aerogel gốc carbon có giá trị ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực chính là lưu trữ năng lượng điện hóa, chất xúc tác và chất mang, quốc phòng và công nghiệp quân sự và bảo vệ môi trường.
1. Cách nhiệt cho pin nóng và siêu tụ điện
Trong thiết bị lưu trữ năng lượng, nhiệt độ có tác động lớn đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Airgel có thể được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt cho pin nóng và siêu tụ điện, ngăn nhiệt truyền quá nhanh bên trong pin hoặc tụ điện và duy trì sự ổn định về nhiệt độ hoạt động của thiết bị, từ đó cải thiện hiệu suất và độ an toàn của thiết bị.
2.Vật liệu hấp thụ âm thanh
Cấu trúc xốp của aerogel làm cho nó có đặc tính hấp thụ âm thanh tốt. Khi sóng âm lan truyền trong các lỗ của aerogel, chúng sẽ bị phản xạ và phân tán nhiều lần, khiến năng lượng âm thanh tiếp tục suy giảm. Trong phòng hòa nhạc, phòng thu âm và những nơi khác có yêu cầu về môi trường âm thanh cao, aerogel có thể được sử dụng để sản xuất tấm hấp thụ âm thanh, giảm thời gian vang trong nhà một cách hiệu quả và cải thiện độ rõ của âm thanh.
3. Hỗ trợ chất xúc tác
Diện tích bề mặt riêng cao của aerogel cung cấp nhiều vị trí nạp chất xúc tác. Trong các phản ứng xúc tác môi trường, chẳng hạn như tinh chế xúc tác khí thải ô tô, oxy hóa xúc tác khí thải công nghiệp, v.v., việc nạp chất xúc tác lên chất mang aerogel có thể cải thiện sự phân tán và hoạt động của chất xúc tác, để xúc tác cho quá trình chuyển đổi các chất có hại hiệu quả hơn và giảm phát thải chất ô nhiễm.
4. Vật liệu đóng gói cho thiết bị điện tử
Aerogel có đặc tính cách điện tốt và hằng số điện môi thấp nên có thể được sử dụng làm vật liệu đóng gói cho các thiết bị điện tử. Trong các thiết bị điện tử như mạch tích hợp và chip, bao bì aerogel có thể bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi các yếu tố môi trường như độ ẩm và bụi, đồng thời hằng số điện môi thấp giúp giảm độ trễ và tổn thất trong quá trình truyền tín hiệu.
Nguồn hình ảnh: RSC Advances