炭素ベースの材料は、エネルギー貯蔵、環境科学、材料化学などの多くの分野で広く使用されています。過去数十年にわたり、国内外の多くの学者が、バイオ炭、グラフェン、酸化グラフェン (GO)、カーボン ナノチューブ、カーボン ナノファイバー、炭素球、カーボン エアロゲル、窒素など、多種多様な新しい炭素ベースの材料の開発に成功してきました。 -ドープされたカーボンおよびグラファイト相の窒化炭素。エアロゲルは、超微細な多孔質構造と低密度を備えた一種の新しい固体材料です。 1931年の誕生以来、常に幅広い注目を集めています。時間の継続的な進歩に伴い、研究者はエアロゲルの調製方法の探索と最適化を続けており、初期の無機シリカエアロゲルから徐々に有機エアロゲルに開発され、その後カーボンエアロゲルに拡張され、それに応じてエアロゲルの応用範囲も拡大し続けています。拡大する。
カーボンベースのエアロゲルは、有機エアロゲルを前駆体として使用し、不活性ガス環境中で高温で炭化することによって得られる新しいタイプのナノ多孔質炭素材料です。これらは、エアロゲルと炭素ベースの材料の両方の特性を備えています。炭素ベースのエアロゲルは、その低密度、高比表面積、高多孔性により、エネルギー貯蔵、吸着、センサー、電磁シールドおよび吸収に広く使用されています。
画像出典：Journal of Colloid and Interface Science
炭素ベースのエアロゲルの分類:
カーボンエアロゲルは原料の違いにより、グラファイト系カーボンエアロゲル、有機カーボンエアロゲル、カーボン複合エアロゲルの3つに大別されます。
グラフェン エアロゲルやカーボン ナノチューブ エアロゲルなどのグラファイト ベースのカーボン エアロゲルの場合、グラファイト - カーボン材料は、適切な組み立てプロセスを使用して 3 次元エアロゲル構造に直接結合されます。これらのカーボンエアロゲル材料は、その高い導電性により、さまざまな電子デバイスやセンサーに広く使用されています。
有機カーボンエアロゲルの前駆体材料は有機物に属し、高温炭化プロセスの後に炭素材料に変換され、その後集合プロセスの助けを借りて三次元多孔質構造が構築されます。これらのカーボンベースのエアロゲルは、バイオマスカーボンエアロゲルとポリマーベースのカーボンエアロゲルに細分できます。優れた吸着特性とユニークな構造特性により、環境保護やエネルギーの分野で幅広い応用と発展の可能性を秘めています。
炭素複合エアロゲルは、近年の炭素ベースのエアロゲル分野において非常に重要な開発トレンドです。有機基やポリマーを導入することで、成分間の比率を調整・制御することができ、単一成分の炭素系エアロゲル材料が持つ脆さの増大、湿気に濡れやすい、柔軟性の低さなどの問題を最適化することができます。カーボン複合エアロゲルは、優れた特性を維持しながら、異なる材料間の機能的相補性を実現し、カーボンベースのエアロゲルの応用分野を広げます。
炭素ベースのエアロゲルの調製:
炭素ベースのエアロゲルの調製には、通常、次の 3 つのステップが含まれます。(1) 前駆体のゾル化、ゾルのゲル化、および熟成。 ② ゲルは乾燥してエアロゲルになります。 ③エアロゲルを炭化して炭素系エアロゲルを得る。炭素ベースのエアロゲルは多くの用途で優れた性能を示していますが、複雑な製造プロセス、高コスト、低収率により実用化は制限されています。炭素系エアロゲル材料の作製方法には、主にゾルゲル法、水熱法、化学蒸着法、氷テンプレート法などがあります。
カーボンベースのエアロゲルの応用:
炭素ベースのエアロゲルは、ナノ多孔質構造を持つ軽量で多孔質の非晶質炭素材料の一種です。炭素ベースのエアロゲルは、電気化学エネルギー貯蔵、触媒とその担体、国防と軍事産業、環境保護の主要分野において重要な応用価値を持っています。
1.高温バッテリーやスーパーキャパシタの断熱
エネルギー貯蔵装置では、温度がその性能と寿命に大きな影響を与えます。エアロゲルは、高温のバッテリーやスーパーキャパシタの断熱材として使用でき、バッテリーやキャパシタ内の熱の急激な伝達を防ぎ、機器の動作温度の安定性を維持することで、機器の性能と安全性を向上させます。
2.吸音材
エアロゲルの多孔質構造により、優れた吸音特性が得られます。音波がエアロゲルの細孔内を伝播するとき、音波は何度も反射および散乱されるため、音エネルギーは減衰し続けます。コンサート ホール、レコーディング スタジオ、その他の高度な音響環境要件が求められる場所では、エアロゲルを使用して吸音パネルを製造することができ、室内の残響時間を効果的に短縮し、音の明瞭度を向上させることができます。
3.触媒サポート
エアロゲルの高い比表面積は、触媒の担持部位を多数提供します。自動車排ガスの触媒浄化や産業排ガスの接触酸化などの環境触媒反応において、エアロゲル担体に触媒を担持させると、触媒の分散性と活性が向上し、有害物質の変換を触媒することができます。より効果的に汚染物質の排出を削減します。
4.電子機器用包装材
エアロゲルは優れた電気絶縁特性と低い誘電率を備えており、電子機器のパッケージ材料として使用できます。集積回路やチップなどの電子デバイスでは、エアロゲル パッケージは湿気や塵などの環境要因から電子コンポーネントを保護することができ、その低誘電率は信号伝送中の遅延や損失の低減に役立ちます。
画像出典:RSC Advances