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活性炭氣凝膠混合材料的制造與應用
美娱彩票:韩研网络部 更新时间:2019-8-23 16:31:20

  氣凝膠的外觀和凝膠一樣,但是內部的液體組分已被替換成氣體形成了一個完整的固體納米結構,其中90%〜99體積%是空氣。同時,發現構成有機氣凝膠的聚合物可以在惰性氣氛(例如氮氣或氩氣)中加熱到一定溫度後脫水活化,留下活性炭氣凝膠。與二氧化矽氣凝膠不同,活性炭氣凝膠是一種電導體,可以作爲電容器。本文簡單的描述了聚合物和活性炭氣凝膠的制備,結構和性質的進展,以及它們在各種領域的潛在應用。

  活性炭氣凝膠的制備方法

  氣凝膠的潛在應用基于其性質,其強烈依賴于微觀結構。因此,在制備過程中實現微觀結構控制是非常重要的。通常,氣凝膠的制備過程包括以下三個或四個步驟(圖1:

  1、溶膠-凝膠轉變(凝膠化):納米級溶膠顆粒交聯並分層組裝成濕凝膠,自發地或通過催化劑通過水解或縮合反應催化。

  2、結構強化(固化):機械強化溶膠-凝膠過程中産生的脆弱固體骨架。

  3、凝膠-氣凝膠轉變(幹燥):濕凝膠內的溶劑被空氣置換而沒有嚴重的微觀結構損失。

  圖1:聚合物或活性炭氣凝膠的一般制備方法。

  所有这三个步骤都可以确定气凝胶的微观结构并影响它们的性质和应用。此外,值得一提的是,制造活性炭气凝胶需要额外的碳化过程(图1步骤4)。有机气凝胶的碳化,活性炭气凝胶主要通过在高于600℃的温度下热解有机气凝胶而获得。以这种方式,有机气凝胶转变为导电活性炭结构。在碳化期间,气凝胶失去氧和氢官能团,因此导致碳的富集和高纯碳结构。热解条件的变化引起活性炭气凝胶性质的显着变化。较高的热解温度倾向于降低活性炭气凝胶的表面积,并且它们的电化学双层电容也降低。随着热解温度的升高,表面积的微小下降限制在600°C以上的温度,而在600°C以下,热解温度的升高会增加表面积。此外,活性炭气凝胶的活化可以通过800到900°C之间用蒸汽或CO 2进行气化来进行。碳气凝胶的表面积,孔体积和孔径分布在与合成和加工条件下是可调的。

  活性炭氣凝膠的組成和性質

  活性炭氣凝膠由納米結構活性炭材料組成,其中孔隙充滿氣體。因爲可以結合有益吸附性質和高的熱穩定性,並且擁有電子傳導性,和可成爲催化劑載體,油或有機溶劑吸附和儲能方面的潛在應用。活性炭氣凝膠還有一個特征是它們的超輕質。除了高度多孔和輕質之外,另一個優點是在轉化成活性炭氣凝膠後引入導電性的可能性,因此允許在電化學區域(例如,電池,超級電容器或導電催化劑載體)中的應用。隨著新型活性炭材料的發展,已經生産出具有超低密度和優異導電性的石墨烯或基于納米碳管的活性炭氣凝膠作爲新興的新型氣凝膠材料,這進一步拓展了氣凝膠材料的應用領域。除了高級碳材料能制造氣凝膠外,使用生物質做成的活性炭氣凝膠如圖7所示。

  圖2:來自不同生物質的活性炭氣凝膠。

  新穎氣凝膠如碳納米關和石墨烯氣凝膠理論上認爲是使超輕型但彈性的最佳候選和導電氣凝膠,鑒于其奇妙的機械強度,低的密度,良好的彈性,良好的導電性,和非常高的縱橫比。無論其超輕密度如何,碳納米管或石墨烯氣凝膠都具有機械強度,可以支撐高達自身重量1000倍的平衡。更有趣的是,活性炭氣凝膠還表現出超彈性,可以在壓縮釋放後反複壓縮並恢複其大部分體積。因此,這種新型活性炭氣凝膠進一步拓展了氣凝膠材料的應用領域,包括有機發光顯示器,太陽能電池,傳感器,新型電極和冷電子場發射。

  圖3:活性炭氣凝膠的結構性質展示。

  活性炭氣凝膠的應用

  能源儲備:具有3D多孔結構的活性炭氣凝膠是高性能電極材料的優良候選材料,因爲它們具有高比表面積和發達的孔隙率,通過縮短擴散路徑和確保良好的電接觸提供連續通道以促進離子傳輸。

  吸附劑:活性炭氣凝膠的疏水性使其成爲去除汙染物和油和水分離的理想候選物,因爲其疏水表面可以選擇性地和有效地吸附與水混合的油性目標化合物。活性炭氣凝膠可吸附各種有機溶劑和油類,還還具有優異的可回收性,即使經過蒸餾,燃燒或擠壓五個循環後仍保持高吸附能力。最重要的是,豐富的來源和簡單的制備方法使炭氣凝膠在可能的工業應用中具有成本效益,例如屏障分離和水淨化。

  催化劑載體:爲了改善催化劑的性能(一般物理化學特性以及催化反應性),最重要的特征是催化劑納米顆粒的高表面積和相穩定性。因此,具有高導電性,高中孔率和環境穩定性的活性炭氣凝膠是用于催化的有前途的材料。

  圖4:(a)通過使用間隔10秒的活性炭氣凝膠顯示庚烷吸附過程的照片。(b)照片顯示使用活性炭氣凝膠吸附氯仿的過程5秒內完全被吸收。

  聚合物氣凝膠和活性炭氣凝膠已被用于各種領域,因爲它們具有獨特的結構和性質,如3D多孔網絡,高比表面積,低密度,低介電常數和高機械性能。由于其輕質,低導熱性和低速聲音,活性炭氣凝膠可應用于建築施工,車輛,汽車或太空服。來自氣凝膠三維多孔網絡的高表面積,高孔隙率和低密度確保了它們在催化,傳感器,吸附和燃料儲存領域的實際應用。此外,通過實驗測試,這些高度多孔的活性炭氣凝膠結構提供了更大的適用範圍,並且通常比其原始有機前體具有更高的性能。

文章標簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質活性炭,木質活性炭,蜂窩活性炭,淨水活性炭.

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