石墨烯氣凝膠的研究進展課件

石墨烯氣凝膠的研究進展姓名：王敘春學號：14723567目錄一、石墨烯的制備及其研究進展二、氣凝膠的結構及其性質三、石墨烯氣凝膠的研究進展主要內容一、石墨烯的制備及其研究進展、石墨烯到底是什么？石墨烯是人們發(fā)現的第一種由單層原子構成的材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格狀的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯是的世上最薄的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，它的電阻率也很低，只有大約10-8Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料一、石墨烯的制備及其研究進展、單層碳原子結構的材料碳納米管富勒烯石墨烯氣凝膠單層碳原子1.3石墨烯的制備方法機械剝離法碳化硅(SiC)外延生長法氧化復原法化學氣相沉積法〔CVD法〕一、石墨烯的制備及其研究進展1234物理方法化學方法一、石墨烯的制備及其研究進展KeunSooKim,YueZhao,Jae-YoungChoi,ByungHeeHong,etal.Large-scalepatterngrowthofgraphenefilmsforstretchabletransparentelectrodes.Nature,2021,457:706-710化學氣相沉積法〔CVD法〕KeunSooKim,YueZhao,Jae-YoungChoi,ByungHeeHong,etal.Large-scalepatterngrowthofgraphenefilmsforstretchabletransparentelectrodes.Nature,2021,457:706-710Figure3|Transferprocessesforlarge-scalegraphenefilmsa.生長在Ni/SiO2/Si上的厘米級尺寸的石墨烯薄膜b.經過FeCl3刻蝕掉金屬鎳基層后，漂浮的石墨烯，這種漂浮的石墨烯可以通過直接接觸其基底來轉移c.通過不同圖案的金屬鎳層，可以制備不同圖案的石墨烯薄膜d,e分別是使用硅橡膠來轉移石墨烯薄膜f.附著在硅橡膠上的石墨烯薄膜透明且柔韌g.附有石墨烯薄膜的硅橡膠與二氧化硅面接觸，h.在二氧化硅基底上留下有圖案的石墨烯薄膜證明這個枯燥轉移在大面積石墨烯電極轉移過程和沒有額外光刻設備的情況下是非常有用的二、氣凝膠的結構及其性質氣凝膠是指采用特殊工藝把濕凝膠中的液體用氣體置換而不顯著改變凝膠網絡的結構和體積而得到的具有低密度和高比外表積的高度多孔性納米材料。只要是將凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網絡結構根本保存不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。什么是氣凝膠？水凝膠氣凝膠冷凍枯燥溶劑置換二、氣凝膠的結構及其性質氣凝膠—世界上最輕的材料二、氣凝膠的結構及其性質就結構而言，氣凝膠微觀上呈鏈狀或串珠狀結構，直徑一般在十幾納米以下。以二氧化硅氣凝膠為例，通常其孔徑分布較窄，主要是開放與聯通的介孔，普通二氧化硅氣凝膠的孔結構呈無序狀態(tài)。如下圖何飛,赫曉東,楊麗麗,等.二氧化硅氣凝膠的制備方法研究.材料導報2005,〔專輯Ⅳ〕:31鄭文芝.二氧化硅氣凝膠研制及其結構性能研究.華南理工大學.20212.1結構特點二、氣凝膠的結構及其性質2.2氣凝膠的性質空間網狀結構低導熱系數0.013W/(K·m)低密度〔3kg/m3〕高孔隙率〔80%-99%〕比外表積大1000m2/g二、氣凝膠的結構及其性質氣凝膠的隔熱性能二、氣凝膠的結構及其性質氣凝膠無機氣凝膠（二氧化硅氣凝膠）有機氣凝膠（RF氣凝膠）碳氣凝膠（石墨烯氣凝膠）2.3氣凝膠的分類二、氣凝膠的結構及其性質2.4氣凝膠的制備氣凝膠材料的制備一般包括兩個過程，溶膠－凝膠過程和枯燥過程，前者主要是獲得具有一定空間網絡結構的含有少量催化劑的濕凝膠，后者那么是去掉濕凝膠網絡骨架中的溶劑，得到最終的氣凝膠材料。目前氣凝膠的制備工藝的差異主要表達在枯燥方法上，常用的枯燥方法有以下幾種超臨界枯燥常壓枯燥冷凍枯燥傳導枯燥二、氣凝膠的結構及其性質溶膠—凝膠法制備SiO2氣凝膠以正硅酸乙酯〔TEOS)、乙醇〔EtOH)和蒸餾水為原料，鹽酸為酸性催化劑促進TOES水解，氨水為堿性催化劑促進水解產物縮聚，并不斷長大、交聯，形成凝膠顆粒，常溫靜置得到顆粒狀凝膠，繼續(xù)在乙醇中老化，放入枯燥箱內枯燥。TEOS的水解過程反響式胡守亮.SiO2氣凝膠充填非石墨化泡沫炭復合隔熱材料的研究.哈爾濱工業(yè)大學.2021二、氣凝膠的結構及其性質K.Mosig,T.Jacobs,K.Brennan.etal.Integrationchallengesofporousultralow-kspin-ondielectrics.MicroelectronicEngineering,2002,64:11-24溶膠—凝膠法制備SiO2氣凝膠三、石墨烯氣凝膠的研究進展石墨烯氣凝膠石墨烯氣凝膠高導電性能高強度比外表積大超低密度高空隙率強吸附性3.1石墨烯氣凝膠的產生及其性能三、石墨烯氣凝膠的研究進展基于以上對石墨烯和氣凝膠的了解，可以制備出一種以石墨烯為骨架單元的氣凝膠，這種產品既提供了一種二維石墨烯的三維集成與組裝方法，又賦予了石墨烯以氣凝膠形式存在時所特有的性能，因而無論在根底科學還是在應用科學方面都有非常重要的意義定義：以石墨烯為骨架單元的氣凝膠高比表面積高導電率良好的機械性能三、石墨烯氣凝膠的研究進展3.2石墨烯氣凝膠的制備方法1、以RF為黏接劑制備石墨烯氣凝膠2、利用水熱法制備石墨烯氣凝膠區(qū)別制備過程中是否需要使用黏接劑三、石墨烯氣凝膠的研究進展3.3石墨烯氣凝膠的制備實例分析用不同質量分數(0～4%)的酚醛聚合物RF作黏接劑，以碳酸鈉為催化劑，在氧化石墨的水分散液中合成了RF-GO濕凝膠。經丙酮溶劑交換和超臨界二氧化碳枯燥后，在氮氣氣氛下，于1050℃高溫熱解復原制得石墨烯氣凝膠。實例一WorsleyMA,PauzauskiePJ,OlsonTY,etal.Synthesisofgrapheneaerogelwithhighelectricalconductivity.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2021,132(40):14067-14069.GrapheneoxideRF,CWetGO-RFgelswashedinacetonepyrolysisat1050℃

undernitrogensupercriticalCO2driedGO-RFaerogelGrapheneaerogel3.3石墨烯氣凝膠的制備實例分析實例二合成路線：在強機械攪拌的作用下，在200ml含有60ml的的GO的燒杯中，參加抗壞血酸，直到完全溶解，加熱到40℃后保持至少16小時以形成石墨烯水凝膠，獲得的水凝膠至少要在去離子水的作用下凈化一周，以去除小分子物質〔包括L-抗壞血酸和它的氧化物〕，然后通過冷凍枯燥獲得石墨烯氣凝膠。氧化石墨參加0.72gL-抗壞血酸攪拌至完全溶解加熱到40℃保持至少16小時，去離子水中純化一周石墨烯水凝膠石墨烯氣凝膠冷凍枯燥乙醇置換石墨烯醇凝膠ZhangXuetong,SuiZhuyin,LuoYunjun,etal.Mechanicallystrongandhighlyconductivegrapheneaerogelanditsusedaselectrodesforelectro-chemicalpowersources．JournalofMaterialsChemistry，2021，21(18):6494－6497超臨界CO2枯燥三、石墨烯氣凝膠的研究進展通過加熱氧化石墨和L-抗壞血酸混合液成功地制備了石墨烯氣凝膠，選擇L-抗壞血酸為復原劑是由于其在復原過程中不產生任何氣體，可形成均勻的氣凝膠。ZhangXuetong,SuiZhuyin,LuoYunjun,etal.Mechanicallystrongandhighlyconductivegrapheneaerogelanditsusedaselectrodesforelectro-chemicalpowersources．JournalofMaterialsChemistry，2021，21(18):6494－6497實例二氧化石墨烯水分散液石墨烯水凝膠左右分別為超臨界CO2枯燥和冷凍枯燥制得的石墨烯氣凝膠承重自身質量約14000倍的石墨烯氣凝膠實例二ZhangXuetong,SuiZhuyin,LuoYunjun,etal.Mechanicallystrongandhighlyconductivegrapheneaerogelanditsusedaselectrodesforelectro-chemicalpowersources．JournalofMaterialsChemistry，2021，21(18):6494－6497石墨烯氣凝膠的外表形貌分析對于超臨界CO2枯燥的石墨烯氣凝膠，大范圍形貌比較均一，放大后可以發(fā)現其三維網絡結構是隨機取向的，且介孔分級明顯，片狀石墨烯中自由分布著一些大孔〔大于50nm〕，同時也有很多中孔〔2-50nm〕，通過冷凍枯燥的石墨烯氣凝膠雖然在大范圍取景中有著類似左圖的三維網絡結構，但其介孔特征也有明顯不同，大孔結構較多，幾乎沒有中孔結構。宏觀表現為產品密度不同。三、石墨烯氣凝膠的研究進展結語新材料的研制和應用一直是十分重要的課題，石墨烯氣凝膠是近年來在石墨烯的根底上開發(fā)的一種新型多孔納米塊體材料，由于其低密度、高外表積、大孔體積、高電導率、良好的熱穩(wěn)定性及結構可控等特性，使得其在吸附、儲能、催化、電化學等領域具有廣闊的應用