Materiais à base de carbono são amplamente utilizados em muitos campos, como armazenamento de energia, ciência ambiental e química de materiais. Nas últimas décadas, muitos estudiosos nacionais e estrangeiros desenvolveram com sucesso uma rica variedade de materiais emergentes à base de carbono, como biochar, grafeno, óxido de grafeno (GO), nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, esferas de carbono, aerogéis de carbono, nitrogênio carbono dopado e nitreto de carbono em fase de grafite. Aerogel é um tipo de novo material sólido com estrutura porosa ultrafina e baixa densidade. Desde o seu nascimento em 1931, sempre atraiu grande atenção. Com o progresso contínuo do tempo, os pesquisadores continuam a explorar e otimizar os métodos de preparação do aerogel, desde o aerogel de sílica inorgânica inicial gradualmente desenvolvido até o aerogel orgânico e depois estendido ao aerogel de carbono e, correspondentemente, a faixa de aplicação do aerogel também continua a expandir.
Aerogéis à base de carbono são um novo tipo de materiais de carbono nanoporosos obtidos por carbonização em alta temperatura em ambiente de gás inerte, utilizando aerogéis orgânicos como precursores. Eles têm características duplas de aerogéis e materiais à base de carbono. Devido à sua baixa densidade, alta área superficial específica e alta porosidade, o aerogel à base de carbono tem sido amplamente utilizado em armazenamento de energia, adsorção, sensor, blindagem eletromagnética e absorção.
Fonte da imagem: Journal of Colloid and Interface Science
Classificação de aerogéis à base de carbono:
Com base na diferença de fontes de matéria-prima, os aerogéis de carbono podem ser divididos aproximadamente em três categorias: aerogéis de carbono à base de grafite, aerogéis de carbono orgânico e aerogéis compostos de carbono.
Para aerogéis de carbono à base de grafite, como aerogéis de grafeno e aerogéis de nanotubos de carbono, os materiais de grafite-carbono são combinados diretamente em estruturas tridimensionais de aerogel usando processos de montagem apropriados. Devido à sua alta condutividade elétrica, esses materiais de aerogel de carbono são amplamente utilizados em uma variedade de dispositivos eletrônicos e sensores.
O material precursor do aerogel de carbono orgânico pertence à matéria orgânica, que é transformada em material de carbono após o processo de carbonização em alta temperatura, e então a estrutura porosa tridimensional é construída com a ajuda do processo de montagem. Esses aerogéis à base de carbono podem ser subdivididos em aerogéis de carbono de biomassa e aerogéis de carbono à base de polímeros. Devido às suas excelentes propriedades de adsorção e características estruturais únicas, possuem amplo potencial de aplicação e desenvolvimento nas áreas de proteção ambiental e energia.
O aerogel composto de carbono é uma tendência de desenvolvimento muito importante no campo do aerogel à base de carbono nos últimos anos. Ao introduzir grupos orgânicos ou polímeros, a proporção entre os componentes pode ser ajustada e controlada, e então os problemas dos materiais de aerogel à base de carbono de componente único, como maior fragilidade, fácil umidade, baixa flexibilidade e assim por diante, podem ser otimizados. Embora mantenham excelentes propriedades, os aerogéis compostos de carbono alcançam complementaridade funcional entre diferentes materiais, o que abre um espaço mais amplo para a aplicação de aerogéis à base de carbono.
Preparação de aerogel à base de carbono:
A preparação de aerogel à base de carbono geralmente inclui as três etapas a seguir: (1) solação do precursor, gelificação por sol e envelhecimento; ② O gel seca para virar aerogel; ③ Carbonização de aerogel para obtenção de aerogel à base de carbono. O aerogel à base de carbono tem apresentado bom desempenho em diversas aplicações, mas o complexo processo de preparação, o alto custo e o baixo rendimento limitam sua aplicação prática. Os métodos de preparação de materiais de aerogel à base de carbono incluem principalmente o método sol-gel, método hidrotérmico, método de deposição química de vapor e método de molde de gelo.
Aplicação de aerogel à base de carbono:
O aerogel à base de carbono é um tipo de material de carbono leve, poroso e amorfo com estrutura nanoporosa. O aerogel à base de carbono tem importante valor de aplicação nas principais áreas de armazenamento de energia eletroquímica, catalisador e seu transportador, defesa nacional e indústria militar e proteção ambiental.
1. Isolamento térmico para baterias quentes e supercapacitores
Nos equipamentos de armazenamento de energia, a temperatura tem um grande impacto no seu desempenho e vida útil. O aerogel pode ser utilizado como material de isolamento térmico para baterias e supercapacitores quentes, evitando que o calor seja transferido muito rapidamente dentro da bateria ou capacitor, e mantendo a estabilidade da temperatura de operação do equipamento, melhorando assim o desempenho e a segurança do equipamento.
2.Material absorvente de som
A estrutura porosa do aerogel faz com que ele tenha boas propriedades de absorção de som. Quando as ondas sonoras se propagam nos poros do aerogel, elas serão refletidas e espalhadas muitas vezes, de modo que a energia sonora continuará a decair. Em salas de concerto, estúdios de gravação e outros locais com elevados requisitos ambientais acústicos, o aerogel pode ser usado para fabricar painéis absorventes de som, reduzindo efetivamente o tempo de reverberação interna e melhorando a clareza do som.
3. Suporte ao catalisador
A alta área superficial específica do aerogel fornece um grande número de locais de carregamento para o catalisador. Em reações catalíticas ambientais, como purificação catalítica de gases de escape de automóveis, oxidação catalítica de gases residuais industriais, etc., carregar o catalisador no transportador de aerogel pode melhorar a dispersão e a atividade do catalisador, de modo a catalisar a conversão de substâncias nocivas de forma mais eficaz e reduzir a emissão de poluentes.
4.Materiais de embalagem para dispositivos eletrônicos
Os aerogéis possuem boas propriedades de isolamento elétrico e baixa constante dielétrica, podendo ser usados como materiais de embalagem para dispositivos eletrônicos. Em dispositivos eletrônicos, como circuitos integrados e chips, a embalagem de aerogel pode proteger os componentes eletrônicos de fatores ambientais, como umidade e poeira, enquanto sua baixa constante dielétrica ajuda a reduzir atrasos e perdas durante a transmissão do sinal.
fonte da imagem: Avanços RSC