วัสดุที่มีคาร์บอนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น การจัดเก็บพลังงาน วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม และเคมีของวัสดุ ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา นักวิชาการจำนวนมากทั้งในและต่างประเทศประสบความสำเร็จในการพัฒนาวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก เช่น ถ่านชีวภาพ กราฟีน กราฟีนออกไซด์ (GO) ท่อนาโนคาร์บอน เส้นใยนาโนคาร์บอน ทรงกลมคาร์บอน คาร์บอนแอโรเจล ไนโตรเจน -เจือคาร์บอนและกราไฟท์เฟสคาร์บอนไนไตรด์ Airgel เป็นวัสดุแข็งชนิดใหม่ที่มีโครงสร้างรูพรุนละเอียดเป็นพิเศษและมีความหนาแน่นต่ำ นับตั้งแต่ก่อตั้งในปี 1931 ก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางมาโดยตลอด ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเวลา นักวิจัยยังคงสำรวจและเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการเตรียมแอโรเจล จากซิลิกาแอโรเจลอนินทรีย์เริ่มแรกค่อยๆ พัฒนาเป็นแอโรเจลออร์แกนิก จากนั้นจึงขยายไปสู่แอโรเจลคาร์บอน และช่วงการใช้งานของแอโรเจลก็ยังคงดำเนินต่อไป ขยาย.
แอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลักเป็นวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนระดับนาโนชนิดใหม่ที่ได้จากการทำให้คาร์บอนไนเซชันที่อุณหภูมิสูงในสภาพแวดล้อมของก๊าซเฉื่อย โดยใช้แอโรเจลอินทรีย์เป็นสารตั้งต้น มีลักษณะพิเศษสองประการคือทั้งแอโรเจลและวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ พื้นที่ผิวจำเพาะสูง และความพรุนสูง แอโรเจลที่มีคาร์บอนจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการจัดเก็บพลังงาน การดูดซับ เซ็นเซอร์ การป้องกันและการดูดซับแม่เหล็กไฟฟ้า
แหล่งที่มาของรูปภาพ: วารสารคอลลอยด์และวิทยาศาสตร์อินเทอร์เฟซ
การจำแนกประเภทของแอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก:
ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของแหล่งวัตถุดิบ แอโรเจลคาร์บอนสามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็นสามประเภท: แอโรเจลคาร์บอนที่มีกราไฟท์เป็นหลัก แอโรเจลคาร์บอนอินทรีย์ และแอโรเจลคาร์บอนคอมโพสิต
สำหรับแอโรเจลคาร์บอนที่มีกราไฟท์เป็นหลัก เช่น แอโรเจลกราฟีนและแอโรเจลคาร์บอนนาโนทิวบ์ วัสดุกราไฟท์-คาร์บอนจะถูกรวมเข้าด้วยกันโดยตรงเป็นโครงสร้างแอโรเจลสามมิติโดยใช้กระบวนการประกอบที่เหมาะสม เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าสูง วัสดุแอโรเจลคาร์บอนเหล่านี้จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์หลายประเภท
วัสดุตั้งต้นของแอโรเจลคาร์บอนอินทรีย์เป็นของอินทรียวัตถุ ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นวัสดุคาร์บอนหลังจากกระบวนการคาร์บอไนเซชันที่อุณหภูมิสูง จากนั้นโครงสร้างรูพรุนสามมิติจะถูกสร้างขึ้นด้วยความช่วยเหลือของกระบวนการประกอบ แอโรเจลที่มีคาร์บอนเหล่านี้สามารถแบ่งย่อยได้เป็นแอโรเจลคาร์บอนจากชีวมวลและแอโรเจลคาร์บอนที่มีโพลีเมอร์ เนื่องจากคุณสมบัติการดูดซับที่ดีเยี่ยมและลักษณะโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ จึงมีศักยภาพในการนำไปใช้และการพัฒนาในวงกว้างในด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมและพลังงาน
แอโรเจลคอมโพสิตคาร์บอนเป็นแนวโน้มการพัฒนาที่สำคัญมากในสาขาแอโรเจลที่ใช้คาร์บอนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการแนะนำกลุ่มอินทรีย์หรือโพลีเมอร์ อัตราส่วนระหว่างส่วนประกอบต่างๆ สามารถปรับและควบคุมได้ และปัญหาของวัสดุแอโรเจลที่ใช้คาร์บอนส่วนประกอบเดียว เช่น ความเปราะบางที่มากขึ้น ความชื้นง่าย ความยืดหยุ่นต่ำ และอื่นๆ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม แอโรเจลที่เป็นคาร์บอนคอมโพสิตจะมีส่วนเสริมการทำงานระหว่างวัสดุที่แตกต่างกัน ซึ่งเปิดพื้นที่กว้างขึ้นสำหรับการใช้งานแอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก
การเตรียมแอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก:
การเตรียมแอโรเจลที่มีคาร์บอนมักจะประกอบด้วยสามขั้นตอนต่อไปนี้: (1) การแยกสารตั้งต้น การเกิดเจลของโซล และการแก่ชรา; 2. เจลจะแห้งกลายเป็นแอโรเจล 3 การทำให้เป็นคาร์บอนของแอโรเจลเพื่อให้ได้แอโรเจลที่มีคาร์บอน แอโรเจลที่มีคาร์บอนแสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่ดีในการใช้งานหลายประเภท แต่กระบวนการเตรียมการที่ซับซ้อน ต้นทุนสูง และผลผลิตต่ำจำกัดการใช้งานจริง วิธีการเตรียมวัสดุแอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นหลักประกอบด้วยวิธีโซล-เจล วิธีไฮโดรเทอร์มอล วิธีการสะสมไอสารเคมี และวิธีการสร้างเทมเพลตน้ำแข็ง
การใช้แอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก:
แอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นวัสดุคาร์บอนชนิดไม่มีรูพรุน น้ำหนักเบา และมีโครงสร้างที่มีรูพรุนระดับนาโน แอโรเจลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลักมีคุณค่าในการใช้งานที่สำคัญในด้านการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยาและพาหะของมัน อุตสาหกรรมการป้องกันประเทศและการทหาร และการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
1.ฉนวนกันความร้อนสำหรับแบตเตอรี่ร้อนและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์
ในอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน อุณหภูมิมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน Airgel สามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนความร้อนสำหรับแบตเตอรี่ร้อนและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ป้องกันไม่ให้ความร้อนถูกถ่ายเทเร็วเกินไปภายในแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุ และรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยของอุปกรณ์
2.วัสดุดูดซับเสียง
โครงสร้างรูพรุนของแอโรเจลทำให้มีคุณสมบัติดูดซับเสียงได้ดี เมื่อคลื่นเสียงแพร่กระจายในรูพรุนของแอโรเจล คลื่นดังกล่าวจะถูกสะท้อนและกระจัดกระจายหลายครั้ง ดังนั้นพลังงานเสียงจึงสลายตัวต่อไป ในห้องแสดงคอนเสิร์ต สตูดิโอบันทึกเสียง และสถานที่อื่นๆ ที่มีความต้องการสภาพแวดล้อมทางเสียงสูง สามารถใช้แอโรเจลเพื่อผลิตแผงดูดซับเสียง ช่วยลดเวลาเสียงก้องในร่มได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงความชัดเจนของเสียง
3. การสนับสนุนตัวเร่งปฏิกิริยา
พื้นที่ผิวจำเพาะสูงของแอโรเจลทำให้มีตำแหน่งโหลดตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนมาก ในปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การฟอกตัวเร่งปฏิกิริยาของก๊าซไอเสียรถยนต์ ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของก๊าซเสียทางอุตสาหกรรม ฯลฯ การโหลดตัวเร่งปฏิกิริยาบนตัวพาแอโรเจลสามารถปรับปรุงการกระจายตัวและกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อเร่งการเปลี่ยนรูปของสารอันตราย ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดการปล่อยมลพิษ
4.วัสดุบรรจุภัณฑ์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
แอโรเจลมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีและมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ และสามารถใช้เป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น วงจรรวมและชิป บรรจุภัณฑ์แอโรเจลสามารถปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ความชื้นและฝุ่น ในขณะที่ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำจะช่วยลดความล่าช้าและการสูญเสียระหว่างการส่งสัญญาณ
ที่มาของภาพ: RSC Advances