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碳气凝胶-气凝胶品牌为你呈现

时间:2020-08-04     作者:气凝胶,气凝胶毡价格,环保气凝胶毡厂家【转载】   来自:气凝胶创新应用推进中心

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我们现在通常所说的气凝胶一般是指二氧化硅气凝胶,这是因为国内外产业化的气凝胶大都是围绕着这个材料的隔热性能进行的。今天我们介绍另外一种气凝胶——碳气凝胶。

碳气凝胶是由小间隙孔(<50nm)互连的纳米尺寸颗粒(3-30nm)组成的独特的多孔材料。这种单片(连续)结构导致其具有非常大的比表面积(400-1100m2/g)和高导电率(25-100S/cm)。气凝胶的化学成分,微结构和物理性能可以实现纳米尺度控制,产生独特的光学,热学,声学,机械和电学性能。


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与传统的无机气凝胶(如硅气凝胶)相比,碳气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景。碳气凝胶具有比表面积大、密度变化范围广等特点,是制备双电层电容器理想的电极材料。碳气凝胶是唯一具有导电性的气凝胶,可用于超级电容器的电扳材料。有机气凝胶及碳气凝胶具有生物机体相容性,使得其可用于制造人造生物组织、人造器官及器官组件、医用诊断剂及胃肠外给药体系的药物载体。由于碳气凝胶的组成元素(碳)原子序数低,因而用于Cerenkov探测器时优于硅气凝胶材料。

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自从80年代末R.W.Pekala首次合成出RF(resorcinol formaldehyde)有机气凝胶并由其碳化得到碳气凝胶以来,这一领域的研究几乎被其所在的美国Lawrence Livermore国家实验室所垄断,国内尚未见系统报道,相关的报道仅有2016年4月份浙江大学高超教授研制出全碳气凝胶和2016年11月份中国科学技术大学教授俞书宏课题组与国际同行合作,提出了三维模板法制备酚醛树脂(PF)基碳气凝胶的理念,成功发展了两种三维模板制备碳气凝胶的新方法,即聚合物分子链软模板和盐硬模板法这两则报道。

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碳气凝胶由于其结构的独特性,具有广泛的应用。而在其许多应用中,碳气凝胶被发现在一些电化学装置中用作电极材料的表现极为突出,最显著的是用于空气电容器(aerocapacitor)和电吸附元件(absorption cells)上

空气电容器(aerocapacitor)由碳气凝胶作为电极,是具有高功率密度,高能量密度的电化学双层电容器。该装置通过在电极/电解质界面处的静电电荷分离来存储电能,被用于负载调平电源和电动动力列车。此外,一种基于电吸附技术的创新型气凝胶已被成功地用于从含水废液中除去重金属和无机盐离子的案例中。具有各种阴离子和阳离子的废液流过一堆带电荷的碳气凝胶电极,杂质通过施加的电场与电解质分离。这种无污染的分离技术是替代常规去离子方法,如反渗透和离子交换,最具有能量效率和潜在成本效益的方法。

碳气凝胶的合成与性能

碳气凝胶是Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)开发的一类特殊类型的气凝胶(充气泡沫)。气凝胶固体基质由相互关联的胶体状碳颗粒或聚合物碳链组成,由预制体制剂和加工条件决定。

碳气凝胶通常由间苯二酚和甲醛的溶胶-凝胶聚合形成,然后通过超临界或蒸发干燥,随后在惰性气氛中高温热解。与通常是绝缘的所有其它类型的有机和无机气凝胶相反,所得碳气凝胶是导电的。碳气凝胶可以制成单块,复合材料,薄膜,粉末或微球。

在过去几十年中,碳气凝胶的化学和物理性能得到了广泛的研究。碳气凝胶的结构和性质主要由三个因素控制:

(1)起始溶液中单体结构单元(间苯二酚)与催化剂(碳酸钠)的摩尔比(R/C比);

(2)热解温度;

(3)激活程序。

R/C比率影响间苯二酚-甲醛簇的数量及大小。在低R/C值(<100)时,簇倾向于小颗粒增长(<50Å),并且存在高度的交联,导致高的比表面积和更好的互连性。大的R/C比300),所得到的结构类似于具有较少连接性的胶体颗粒(大簇> 100Å)串。在相同的R/C比下,材料表现出类似的粒度。气凝胶的密度随间二苯酚开始的浓度而变化。在这些情况下,高密度材料的单位体积比其低密度材料简单地具有更多交联的颗粒。这种独特的特征保证了可以合成具有特别大的比表面积(600m2/g)的高密度电极材料(大约1.2g/cc)。这些性能对于在储能装置中实现每单位体积的大电容是必要的。

多孔碳气凝胶控制其结构和性能的能力导致其作为先进储能装置和电化学装置中的电极材料的使用量的增加。空气电容器和电吸附工艺,包括碳气凝胶电容去离子(CDI)的工艺都已经成功被开发。

研究人员开发了薄碳气凝胶/碳纸复合材料,用于电化学双层电容器和电吸附工艺实验。多孔和薄电极结构改善了离子传输并降低了欧姆电阻。通过将间苯二酚-甲醛(RF)溶液浸渍到多孔商业碳纸中来合成复合材料。然后将这种RF /碳纸结构在密封容器中的两个玻璃板之间固化,防止蒸发。接着将固化的复合材料在丙酮中浸泡,随后在室温下干燥。 最后,将RF/碳纸在氮气氛下热处理3小时,以使间苯二酚-甲醛(RF)组分碳化。这样就制备了具有高密度(0.8g/cm3)和大的BET比表面积(例如600m2/g)的薄电极。

虽然商业活性炭和活性炭纤维已经显示出较大的比表面积(3000m2/g),但是它们的密度通常比较低(0.2g/cm3)。因此,在体积相同的基础上,碳气凝胶的BET比表面积(500m2/cm3)与从最高表面积商品材料获得的BET比表面积相当。同样重要的是,气凝胶的孔径,孔径分布和微观组织对于双层的形成比来自以商业化的更有利。气凝胶中的孔体积分布显示了平均孔径约5nm(50Å)的高斯分布行为,但是商业材料(即活化纤维)的孔径分析显示出其有很多具有小于1nm(10Å)直径的孔。由于在这些小孔中不可能有双层结构形成,所以电化学活性(有用的)区域仅代表BET表面积的一小部分。

碳气凝胶电极的电化学电容器

未来的电动和混合动力汽车将需要一些额外的动力来快速加速或爬山。 电力传动的能源/电力储存技术的发展仍然是低排放车辆商业化面临的最大挑战之一。而其最需要的是将高比能量(即每单位重量或体积的能量)与高比功率组合的高效且低成本的系统。一个可行的解决方案是混合概念,其中高能量密度电池与诸如超级电容器的高功率密度器件耦合。

超级电容器的设计是用于快速储存和释放大量能量的电化学储能装置。它们通常被称为“双层电容器”,因为它们将电荷存储在极化的固体/电解质界面处。 这种现象由电极材料的可用比表面积和适当的孔径分布引起的。碳气凝胶由于其低电阻率(<25mohm*cm),可控的孔径分布(5-500Å)和高比表面积和体表面积(分别为1000m2/g和500m2/cm3)而成为了理想的电极材料 。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员已经开发出了基于碳气凝胶电极的空气电容器。

空气电容器(aerocapacitor)由正和负晶片薄度的(0.125mm)碳气凝胶电极组成。电极用电解液润湿的微孔隔板分开。原型装置已经在水(1V/cell)和有机电解质(3V/cell)中进行组装完成。水性空气电容器的能量和功率密度分别为2Wh/Kg和8KW/Kg。这些性能值比常规电解电容器高出约两个数量级。

碳气凝胶电极的电吸附元件

研究人员最近开发了一种使用碳气凝胶电极的新型电化学分离方法,用于从水流中除去离子杂质。一个单元(单个)由两个碳气凝胶电极组成。它是不分割的,在运行期间不使用膜材料。含有溶解离子的废液只需要通过一堆耦合的碳气凝胶电极,就可以达到分离的目的。在一些简单的情况下,带电杂质被传送到电极表面,并且可以静电保持在通常为1至10nm(10至100Å)厚的双层中。然而,在大多数情况下,例如含有大量多价含氧阴离子或重金属的废液,分离手段则更为复杂。物理吸附,化学吸附,电沉积和/或电泳都有可能是其主要机制。Cr系统的结论性实验数据和LLNL积累的广泛成果支持这一解释。在堆叠饱和后,通过在0V下放电完成重生过程,或者在-1.2V下通过反向极化来实现。反向极化可以增加再生效果和/或重新活化碳气凝胶电极。研究人员已经证明在碳气凝胶电极上的电吸附过程优于先前的由活性炭粉末或填充碳颗粒组成的电极的过程。

基于气凝胶的电吸附研究已经在实验室规模(10-40GPD,总溶解固体为50-500ppm,TDS)下处理各种阳离子和阴离子。这些离子代表了地下含水层,海水和储罐中的主要物质(如Na +,NH4 +,Cl-,ClO4-,NO3-)。此外,许多重金属离子(铜,锌,镍,镉,铬,铅和铀)可从含废液中除去。

这种使用碳气凝胶的电吸附方法是无污染,高能效的。是一种潜在的可替代其他去离子技术如反渗透,离子交换和蒸发的具有竞争性的方法。这种潜在应用还包括用于化石燃料和核电厂的锅炉水的回收,用于生物技术和半导体加工的超纯水,软化家庭用水,以及淡化咸水和海水。

结论

气凝胶合成,空气电容器和电吸附电池的发展都是未来十年的关键技术。 这些领域的最新进展提供了巨大的潜在应用和独特的挑战。开发低成本,高效率的电动汽车将在混合动力汽车的发展中发挥关键作用。具有重要意义的是电吸附过程的可用性将与当前的去离子技术产生竞争。目前这种技术在技术开发方面为危险废物的处理并修复受污染的地下水提供了独特的解决方案。在广泛领域的潜在应用领域值得特别考虑和进一步发展。因此具有特殊性质的碳气凝胶的定制是一项极大的挑战。

本文转载自公众号:材料+。

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