全碳气凝胶也叫做碳气凝胶、炭气凝胶,是由浙江大学的科学家们研制出的一种轻质、多孔、非晶态、块体纳米碳材料。全碳气凝胶密度仅为0.16mg/cm³,是空气密度的六分之一,也是迄今为止世界上最轻的材料。全碳气凝胶具有哪些物理性质?全碳气凝胶的应用领域有哪些?
1、全碳气凝胶是一种黑色、不需依靠支撑物而竖立的物质,能被塑造成多变的形状,可大至数立方厘米的体积。它是一个由具无缝互连的网络的炭管状物所组成,管状物具微米大小的直径,和15纳米厚的墙壁。基于其相对较小的弯曲度和相对较大的墙壁的厚度,它的墙壁是和炭纳米管的石墨烯状的外壳,以及玻璃碳在性质上相异。
2、管道的墙壁会断开而且有皱褶,这个情况令全碳气凝胶具有弹性的特质。籍电子能量损失谱和电导率作测量,可确认全碳气凝胶中的碳键具有sp2混成的性质。当外力挤压,全碳气凝胶的电导率会上升,和它的密度作比较,因此当被压缩得愈紧密,导电性能便愈高。
3、基于全碳气凝胶的管状、互连的网络的结构,全碳气凝胶比其他炭制人造发泡物质(如硅胶气凝胶)更能抵抗拉力。全碳气凝胶可以维持很大的弹性变形,并有很低的泊松比。一个三毫米高的全碳气凝胶被压至十分一毫米后,可以完全恢复至三毫米。全碳气凝胶的极限抗拉强度视乎材料密度。
4、最坚固的硅胶气凝胶的极限抗拉强度为16kPa,在张力下,所提供的密度是是基于质量的测量,和为了实验也适用于其他结构的人造发泡物质的外在体积的测定。
1、污水处理
碳气凝胶微孔结构丰富,具备很强的天然吸附能力。经过表面处理后,碳气凝胶可以成为一种新型环境保护材料。以海藻酸钙为前体制备海藻酸钙碳气凝胶,在油水分离实验探究中,分别用15、18s将水上油和水下油吸附完全,在污水处理中有巨大的应用潜力。
2、相变保温基材
面对极端环境变化,温度和传热控制在高温的防护服和航天设备上应用是极其重要的,CAs以优秀的高温隔热性能在相变材料中有重要应用。碳气凝胶通过复合其它材料提高材料性能,增大相变材料在基材负载量,来显著提高材料热稳定性。
3、超级电容器
超级电容器根据工作原理分为双电层电容器(EDLCs)和法拉第赝电容器2种类型。前者的基本原理是一种静电吸引作用,后者的工作原理是电解质与电极表面之间发生的氧化还原反应。研究学者通过碳气凝胶的改性制备,大大提高电容器性能,降低电容器开发成本。
4、其它
CAs是优秀的电磁屏蔽材料。有研究学者合成了一种石墨烯气凝胶膜(GAF)展示出了优异的电磁屏蔽性能,实验表明,电磁屏蔽性能与膨胀程度呈现显著的正相关,在多层结构中厚度方向的膨胀显著增强了材料的屏蔽效能。
CAs还有望解决氢气的安全储运问题。金属掺杂的CAs能把储存的氢分子分解为氢原子,使更多的氢进入到材料的孔道结构中而没有爆炸风险,从而提高储氢量。
综上,在环保方面,碳气凝胶可以用于污水处理、海水淡化、重金属离子吸附、有机废气处理等,市场容量巨大;在节能保温方面,通过深挖高端、微型化方式已经在航天、石油化工等领域初见市场应用;储能方面,碳气凝胶是用于制作超级电容器的最佳材料。未来,开发成熟、低成本,可再生和生物降解的前体是碳气凝胶大规模产业化生产、应用和减低成本的发展方向。
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