تُستخدم المواد المعتمدة على الكربون على نطاق واسع في العديد من المجالات مثل تخزين الطاقة، وعلوم البيئة، وكيمياء المواد. في العقود القليلة الماضية، نجح العديد من العلماء في الداخل والخارج في تطوير مجموعة غنية من المواد الناشئة القائمة على الكربون، مثل الفحم الحيوي، والجرافين، وأكسيد الجرافين (GO)، وأنابيب الكربون النانوية، وألياف الكربون النانوية، وكرات الكربون، وهلام الكربون الهوائي، والنيتروجين. - الكربون المخدر ونيتريد الكربون في مرحلة الجرافيت. Airgel هو نوع من المواد الصلبة الجديدة ذات بنية مسامية فائقة الدقة وكثافة منخفضة. منذ ولادتها في عام 1931، جذبت دائما اهتماما واسعا. مع التقدم المستمر للوقت، يواصل الباحثون استكشاف وتحسين طرق تحضير الهلام الهوائي، بدءًا من هلام السيليكا غير العضوي الأولي الذي تم تطويره تدريجيًا إلى هلام هوائي عضوي، ثم امتد إلى هلام هوائي كربوني، وفي المقابل، يستمر نطاق تطبيق الهلام الهوائي أيضًا في تطويره. يوسع.
الهلاميات الهوائية ذات الأساس الكربوني هي نوع جديد من المواد الكربونية المسامية النانوية التي يتم الحصول عليها عن طريق الكربنة عند درجة حرارة عالية في بيئة غاز خامل، وذلك باستخدام الهلاميات الهوائية العضوية كسلائف. لديهم الخصائص المزدوجة لكل من الأيروجيل والمواد القائمة على الكربون. نظرًا لكثافته المنخفضة ومساحة سطحه المحددة العالية ومساميته العالية، فقد تم استخدام الهلام الهوائي المعتمد على الكربون على نطاق واسع في تخزين الطاقة، والامتزاز، وأجهزة الاستشعار، والتدريع الكهرومغناطيسي والامتصاص.
مصدر الصورة: مجلة الغروانية وعلوم الواجهة
تصنيف الهلاميات الهوائية ذات الأساس الكربوني:
بناءً على اختلاف مصادر المواد الخام، يمكن تقسيم الإيروجيلات الكربونية تقريبًا إلى ثلاث فئات: الإيروجيلات الكربونية القائمة على الجرافيت، والإيروجيلات الكربونية العضوية، والإيروجيلات المركبة الكربونية.
بالنسبة إلى الهلاميات الهوائية الكربونية القائمة على الجرافيت، مثل الهلاميات الهوائية الجرافينية والهلاميات الهوائية ذات الأنابيب النانوية الكربونية، يتم دمج مواد الكربون الجرافيت مباشرة في هياكل الهلام الهوائي ثلاثية الأبعاد باستخدام عمليات التجميع المناسبة. نظرًا لموصليتها الكهربائية العالية، تُستخدم مواد الإيروجيل الكربونية هذه على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاستشعار.
تنتمي المادة الأولية لجيل الكربون العضوي إلى مادة عضوية، والتي تتحول إلى مادة كربون بعد عملية الكربنة ذات درجة الحرارة العالية، ومن ثم يتم إنشاء هيكل مسامي ثلاثي الأبعاد بمساعدة عملية التجميع. يمكن تقسيم الأيروجيلات ذات الأساس الكربوني إلى إيروجيلات كربونية ذات كتلة حيوية وإيروجيلات كربونية ذات أساس بوليمر. بسبب خصائصها الممتازة في الامتصاص وخصائصها الهيكلية الفريدة، فإنها تتمتع بإمكانات تطبيقية وتطويرية واسعة في مجالات حماية البيئة والطاقة.
يعد الهلام الهوائي المركب الكربوني اتجاهًا مهمًا للغاية في مجال التطوير في مجال الهلام الهوائي المعتمد على الكربون في السنوات الأخيرة. من خلال إدخال المجموعات العضوية أو البوليمر، يمكن تعديل النسبة بين المكونات والتحكم فيها، ومن ثم يمكن تحسين مشاكل المواد الهلامية الهوائية المعتمدة على الكربون ذات المكون الواحد مثل الهشاشة الأكبر، وسهولة الرطوبة، وضعف المرونة وما إلى ذلك. مع الحفاظ على خصائص ممتازة، تحقق الأيروجيلات المركبة الكربونية التكامل الوظيفي بين المواد المختلفة، مما يفتح مساحة أوسع لتطبيق الأيروجيلات القائمة على الكربون.
تحضير الأيروجيل المعتمد على الكربون:
يتضمن تحضير الهلام الهوائي المعتمد على الكربون عادةً الخطوات الثلاث التالية: (1) عزل السلائف، وتكوين المحلول الملحي، والشيخوخة؛ ② يجف الجل ليصبح ايروجيل؛ ③ تفحيم الهلام الهوائي للحصول على الهلام الهوائي القائم على الكربون. لقد أظهر الهلام الهوائي المعتمد على الكربون أداءً جيدًا في العديد من التطبيقات، لكن عملية التحضير المعقدة والتكلفة العالية والإنتاجية المنخفضة تحد من تطبيقه العملي. تشتمل طرق تحضير مواد الهلام الهوائي القائمة على الكربون بشكل أساسي على طريقة هلام السول، والطريقة الحرارية المائية، وطريقة ترسيب البخار الكيميائي، وطريقة قالب الثلج.
تطبيق aerogel القائم على الكربون:
الهلام الهوائي المعتمد على الكربون هو نوع من مادة الكربون الخفيفة والمسامية وغير المتبلورة ذات البنية المسامية النانوية. يتمتع الإيروجيل المعتمد على الكربون بقيمة تطبيقية مهمة في المجالات الرئيسية لتخزين الطاقة الكهروكيميائية، والمحفز وحامله، والدفاع الوطني والصناعة العسكرية وحماية البيئة.
1. العزل الحراري للبطاريات الساخنة والمكثفات الفائقة
في معدات تخزين الطاقة، يكون لدرجة الحرارة تأثير كبير على أدائها وعمرها. يمكن استخدام الإيروجيل كمادة عازلة للحرارة للبطاريات الساخنة والمكثفات الفائقة، مما يمنع انتقال الحرارة بسرعة كبيرة داخل البطارية أو المكثف، ويحافظ على استقرار درجة حرارة تشغيل المعدات، وبالتالي تحسين أداء وسلامة المعدات.
2. مادة ممتصة للصوت
الهيكل المسامي للهلام الهوائي يجعله يتمتع بخصائص جيدة لامتصاص الصوت. عندما تنتشر الموجات الصوتية في مسام الإيروجيل، فإنها ستنعكس وتنتشر عدة مرات، وبالتالي تستمر الطاقة الصوتية في الاضمحلال. في قاعات الحفلات الموسيقية واستديوهات التسجيل وغيرها من الأماكن ذات متطلبات البيئة الصوتية العالية، يمكن استخدام الإيروجيل لتصنيع ألواح امتصاص الصوت، مما يقلل بشكل فعال من وقت الصدى الداخلي ويحسن وضوح الصوت.
3. دعم المحفز
توفر المساحة السطحية العالية المحددة للهلام الهوائي عددًا كبيرًا من مواقع تحميل المحفز. في التفاعلات التحفيزية البيئية، مثل التنقية التحفيزية لغاز عوادم السيارات، والأكسدة الحفزية لغاز النفايات الصناعية، وما إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تحميل المحفز على حامل الإيروجيل إلى تحسين تشتت ونشاط المحفز، وذلك لتحفيز تحويل المواد الضارة بشكل أكثر فعالية وتقليل انبعاث الملوثات.
4. مواد التعبئة والتغليف للأجهزة الإلكترونية
تتمتع مادة الإيروجيل بخصائص عزل كهربائي جيدة وثابت عزل كهربائي منخفض، ويمكن استخدامها كمواد تعبئة للأجهزة الإلكترونية. في الأجهزة الإلكترونية مثل الدوائر المتكاملة والرقائق، يمكن لتغليف الإيروجيل أن يحمي المكونات الإلكترونية من العوامل البيئية مثل الرطوبة والغبار، بينما يساعد ثابت العزل الكهربائي المنخفض على تقليل التأخير والخسائر أثناء نقل الإشارة.
مصدر الصورة: تقدم RSC