Разделы

Количество статей: 32

Графеновый аэрогель

Дата размещения: 2025-09-23

Что такое графеновый аэрогель

Графеновый аэрогель, его еще называют аэрографен, считается наименее плотным твердым веществом из существующих (графеновые аэрогели достаточно легкие, чтобы их можно было балансировать на небольших растениях!)

Графеновые аэрогели довольно эластичны и легко сохраняют свою первоначальную форму после некоторого сжатия. Кроме того, низкая плотность графеновых аэрогелей делает их очень впитывающими (вплоть до того, что они способны впитывать влагу, превышающую их собственный вес в 850 раз). Это означает, что они могут быть полезны для очистки окружающей среды, например, при разливах нефти, при этом аэрогели нужно будет собирать только после того, как они впитают разлитый материал. Графеновый аэрогель также может найти применение как в хранении, так и в передаче энергии, позволяя создавать более лёгкие аккумуляторы с более высокой плотностью энергии, и в этом направлении ведутся активные исследования.

Графеновые аэрогели чем-то похожи на графеновую пену . Графеновую пену обычно получают методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) на металлической структуре (которая впоследствии удаляется), и поэтому она обладает более высокой проводимостью, чем графеновые аэрогели.

Графеновый аэрогель является одним из самых низкоплотных веществ, известных на Земле . Это пенообразное твёрдое вещество, сохраняющее форму, несмотря на то, что оно почти такое же лёгкое, как воздух. Некоторые аэрогели всего в три раза плотнее воздуха, но обычно в 15 раз тяжелее. В строительстве аэрогелевые ткани обеспечивают «превосходную изоляцию», поскольку их пористая структура затрудняет прохождение тепла. Испытания показали, что аэрогелевые ткани обеспечивают в два-четыре раза более высокую изоляцию, чем традиционные стекловолокно или пенопласт.

Появление графенового аэрогеля

19 марта 2013 г.: Исследовательская группа профессора Гао Чао на кафедре полимерных наук Чжэцзянского университета создала сверхлёгкий материал , названный углеродной губкой. Это самый лёгкий из известных твёрдых материалов. Это достижение было отмечено и прокомментировано в разделе «Основные моменты исследований» престижного научного журнала Nature (выпуск 494, страница 404, 28 февраля 2013 г.). Соответствующая статья была опубликована 18 февраля 2013 г. в журнале Advanced Materials , ведущем академическом журнале в области материаловедения .

Профессор Гао Чао рассказал, что углеродная губка представляет собой разновидность аэрогеля — самого легкого типа вещества в мире, имеющего внутри множество пор, заполненных воздухом.

В 2011 году американские учёные совместно создали никелевый аэрогель плотностью 0,9 мг/см³, что сделало его самым лёгким твёрдым материалом на тот момент. Когда этот материал поместили на цветок одуванчика , волоски одуванчика практически не деформировались.

Исследовательская группа Гао Чао уже много лет занимается исследованием и разработкой графеновых макроматериалов . Они использовали графен для создания аэрогеля — углеродной губки. Углеродная губка весит 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр, что делает её легче гелия и примерно вдвое тяжелее водорода того же объёма. Согласно опубликованным данным, углеродная губка — самое лёгкое твёрдое тело в мире.

В лаборатории Чжэцзянского университета хранится множество угольных губок разных размеров: некоторые размером с теннисный мяч, а некоторые — с пробку от винной бутылки . Они серые и очень эластичные на ощупь.

Профессор Гао объяснил, что углеродная губка способна менять форму и обладает превосходной эластичностью, возвращаясь к исходной форме даже после сжатия на 80%. Она также обладает сверхбыстрой и высокой адсорбционной способностью к органическим растворителям , что делает её самым прочным из известных материалов для абсорбции нефти. В то время как существующие нефтепоглощающие материалы способны впитывать жидкость, вес которой примерно в 10 раз превышает их собственный, углеродная губка способна впитывать жидкость, вес которой примерно в 250 раз превышает её собственный, а впитывает её до 900 раз, причём поглощает только нефть, но не воду.

Это свойство угольной губки можно использовать для борьбы с разливами сырой нефти в открытом море : если разложить её на поверхности моря, она быстро впитает вытекшую нефть. Благодаря эластичности, впитавшуюся нефть можно отжать и собрать, а саму губку можно использовать повторно.

Кроме того, углеродная губка может стать идеальным материалом для хранения энергии и теплоизоляции , носителем катализаторов и высокоэффективным композитным материалом и имеет широкие перспективы.

Исследовательская группа профессора Гао Чао на кафедре полимерных наук Чжэцзянского университета создала сверхлёгкий аэрогель — рекордный материал, обладающий удивительно высокой эластичностью и маслопоглощающей способностью. Этот твёрдый материал , известный как « полностью углеродный аэрогель », имеет плотность 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр, в то время как у воздуха она составляет 1,29 миллиграмма на кубический сантиметр , что составляет всего одну восьмую плотности воздуха. Эта разработка недавно была освещена в разделе «Основные моменты исследований» журнала Nature с сопроводительными иллюстрациями.

Аэрогель — самый лёгкий материал, когда-либо занесённый в Книгу рекордов Гиннесса, получивший своё название благодаря многочисленным порам, заполненным воздухом.

В 1931 году американские учёные создали первый аэрогель из диоксида кремния , прозванный «застывшим дымом».

В 2011 году лаборатории HRL, Калифорнийский университет в Ирвайне и Калифорнийский технологический институт совместно создали никелевый аэрогель плотностью 0,9 мг/см³, установив рекорд лёгкости материала на тот момент. Когда этот материал поместили на цветок одуванчика, мягкий пух практически не деформировался. Эта фотография, вошедшая в десятку лучших снимков года по версии журнала Nature, произвела глубокое впечатление на Гао Чао : можно ли создать материал, способный преодолеть этот предел?

Китай может похвастаться богатыми запасами графита, составляющими две трети мировых запасов. Учёные ищут способы эффективного использования графита. «Преобразование графита в графен ( однослойную листовую структуру , состоящую из атомов углерода ) может увеличить его стоимость в тысячи раз». Исследовательская группа Гао Чао после пяти-шести лет исследований получила одномерные графеновые волокна и двумерные графеновые плёнки. Теперь они намерены побить этот рекорд, создав трёхмерный пористый материал .

Характеристики графитового аэрогеля

Превосходные характеристики — высокая эластичность , сильная адсорбция и широкие возможности применения

Заголовок обзора в журнале Nature: «Твердый углерод: эластичный и легкий», и в нем говорится, что эксплуатационные характеристики этой новинки удивительны.

Согласно отчётам, «углеродная губка» обладает высокой эластичностью и может возвращаться к своей первоначальной форме даже после сжатия на 80%. Она обладает чрезвычайно быстрой и высокой адсорбционной способностью к органическим растворителям, что делает её материалом с самой высокой на сегодняшний день способностью поглощать нефть. Существующие нефтепоглощающие материалы, как правило, способны поглощать жидкости, вес которых примерно в 10 раз превышает их собственный, в то время как «углеродная губка» способна поглощать её примерно в 250 раз и до 900 раз, причём поглощает только нефть, но не воду. Этот « многоедок » поглощает органические вещества с чрезвычайно высокой скоростью: каждый грамм такой «углеродной губки» способен поглощать 68,8 грамма органического вещества в секунду. Это предполагает её использование для борьбы с нефтяными разливами в море. «Вы можете распределить её по поверхности моря, и она быстро впитает нефть. Благодаря её эластичности впитанную нефть можно отжать и переработать, а «углеродную губку» также можно использовать повторно», — заявили исследователи .

В настоящее время лаборатория проводит дальнейшие прикладные исследования адсорбционных свойств этого материала . Исследователи утверждают, что «углеродная губка» может также стать идеальным материалом для хранения энергии с фазовым переходом и изоляции , каталитическим носителем, звукопоглощающим материалом и высокоэффективным композитным материалом. Однако этот новый материал подобен новорожденному, и ученым пока сложно точно предсказать области его применения и перспективы. Вывести этот новый материал за рамки лабораторных исследований и реализовать его прикладную ценность будет зависеть от воображения общества и промышленности.

Самый легкий материал в мире: графеновый аэрогель

От самых больших зданий до самых маленьких деталей, от самых твёрдых до самых мягких материалов — человечество всегда стремилось превзойти различные «рекорды». Учёные снова побили рекорд по «самому лёгкому материалу».

Предыдущий рекорд составлял 0,9 мг на кубический сантиметр в 2011 году , который позже был побит 0,18 мг на кубический сантиметр в том же году... Этот рекорд был побит углеродным аэрогелем, изготовленным профессором Гао Чао из Чжэцзянского университета , плотность которого составляла всего 0,16 мг на кубический сантиметр.

В отличие от общепринятого золь-гель метода получения аэрогелей , они использовали сублимационную сушку для сушки смешанного раствора наноуглеродных волокон и графена, чтобы получить этот губчатый материал из углерода.

Этот материал чрезвычайно эластичен и способен восстанавливать свою первоначальную форму после сжатия. Он также обладает чрезвычайно высокой и быстрой адсорбционной способностью. Каждый грамм аэрогеля способен поглощать и удерживать до 900 граммов нефти со скоростью 68,8 грамма в секунду. Очевидно, что это лучший инструмент для сбора и сбора нефтяных загрязнений в океане .

Конечно, ученые все еще усердно работают над изучением других способов использования этого материала, таких как хранение энергии, теплоизоляция и использование в качестве носителя катализатора

Как получабт графитовый аэрогель

Способ получения высокопрочного аэрогеля оксида графена характеризуется тем, что включает следующие этапы:

1. приготовление порошка оксида графена и деионизированной воды в водный раствор с концентрацией 0,1-10 мг /мл, ультразвуковая вибрация в течение 0,1-5 часов для получения хорошо диспергированного водного раствора оксида графена;

2. взятие 10-500 мл приготовленного водного раствора оксида графена и добавление его в гидротермальный реактор , обработка при температуре 90-200 °C в течение 1-24 часов для получения гидрогеля оксида графена ;

3. помещение приготовленного гидрогеля оксида графена в аммиачную воду , замачивание при температуре 0-150 °C в течение 1-36 часов и сушка вымораживанием для получения высокопрочного аэрогеля оксида графена.

Преимущества настоящего изобретения заключаются в простоте способа изготовления, основанного на получении аэрогеля оксида графена, его механическая прочность может быть повышена простой обработкой аммиачной водой , а также в низком энергопотреблении и отсутствии загрязнения окружающей среды. В сочетании с микропористой структурой, он имеет широкие перспективы применения в адсорбции и катализе.

Графеновый аэрогель

Аэрогелевые материалы: потенциальные материалы будущего

Аэрогели представляют собой лёгкие, твёрдые материалы, состоящие из наноколлоидных частиц, агрегированных в наноструктуру и нанопористую сеть, поры которой заполнены газообразной дисперсионной средой. Аэрогели обладают чрезвычайно высокой пористостью (до 99,8%), чрезвычайно низкой плотностью (всего 3 мг/см³), чрезвычайно высокой удельной площадью поверхности (до 2000 м²/г), сверхвысокой объёмной долей пор, высокотемпературной стойкостью, высокой эластичностью, сильной адсорбцией и каталитическими свойствами. Аэрогели в основном подразделяются на три типа: неорганические аэрогели, органические аэрогели и органо-неорганические гибридные аэрогели. Неорганические аэрогели основаны на неорганических материалах и включают простые аэрогели (такие как углерод, графен и металлическое золото), оксидные аэрогели и сульфидные аэрогели. Органические аэрогели основаны на органических материалах и включают фенольные, целлюлозные, полиимидные, полиуретановые (полимочевинные), хитозановые и хитозан-целлюлозные аэрогели. Гибридные органо-неорганические аэрогели используют преимущества как органических, так и неорганических материалов для достижения специализированной функционализации.

Состояние исследований аэрогелевых материалов

В 1931 году американский учёный Кистлер успешно получил аэрогель SiO2, используя сверхкритическую флюидную сушку этанолом, используя в качестве сырья силикат натрия. Сохранив структуру геля, он заменил жидкий этанол в сетчатой структуре на газ. Впоследствии были получены неорганические аэрогели, такие как Al2O3, W2O3, Fe2O3 и NiO3, а также органические аэрогели, такие как целлюлоза, желатин и агар. Ведущие страны уделяют большое внимание исследованию аэрогелевых материалов, разрабатывая различные новые аэрогели и расширяя сферу их применения.

Крупные страны разработали множество новых аэрогелевых материалов

Процесс производства аэрогеля состоит из двух основных этапов: во-первых, гель готовится золь-гель методом; во-вторых, используется специальный метод сушки для замены жидкого материала в геле на газообразное состояние, в результате чего получается аэрогель. Процесс сушки подразделяется на сверхкритическую сушку, субкритическую сушку, сублимационную сушку и сушку при атмосферном давлении. Золь-гель процесс, включающий гидролиз и поликонденсацию, является важнейшим этапом получения аэрогеля, напрямую определяющим его микроструктуру и свойства.

В последние годы исследователи из Китая, США, Европы и других стран разработали целый ряд новых аэрогелевых материалов, включая аэрогели на биологической основе, графеновые аэрогели и полимерные аэрогели, совершенствуя процессы их приготовления. Исследователи из Университета Колорадо, используя отходы пивоваренной промышленности в качестве питательной среды и бактериальную целлюлозу, производимую Acetobacter, разработали аэрогелевый материал на основе бактериальной целлюлозы с низкой теплопроводностью, используя сверхкритическую сушку и другие методы. Исследователи из Французского национального центра научных исследований (CNRS) использовали метод гидротермальной обработки, отличающийся от традиционных методов приготовления, для получения углеродных аэрогелей на основе танинов с высокой удельной поверхностью и удельной емкостью. Исследователи из Шаньдунского университета успешно подготовили высокоэффективный аэрогель циклодекстрина/графена, модифицированный амидоксимом, который проявляет высокое сродство и селективность к урану в морской воде, а также отличную способность к извлечению урана из природной морской воды, достигнув адсорбционной способности урана 19,7 мг/г всего за 21 день. Исследователи из Сычуаньского университета (Китай), используя двунаправленно ориентированные углеродные аэрогели, композитированные с многослойными углеродными нанотрубками, разработали новый полимерный аэрогелевый материал, сохраняющий функциональность и сверхэластичность при экстремальных температурах, работающий в диапазоне температур от -196°C до 500°C.

Аэрогелевые материалы на основе биомассы стали центром исследований в крупных странах.

Углеродный аэрогель (УА) – это новый нанопористый углеродный материал, получаемый из органических аэрогелевых прекурсоров методом высокотемпературного пиролиза в атмосфере инертного газа. Он сочетает в себе исключительно высокую пористость, большую удельную поверхность и низкую плотность аэрогеля с термостойкостью, кислото- и щелочестойкостью, а также высокой электропроводностью. Однако его промышленное производство и применение ограничены сложными процессами, длительными производственными циклами, малыми масштабами производства, дорогостоящим сырьем и потенциальным загрязнением окружающей среды. Биомасса широко доступна, недорога и является богатым источником углерода. Поэтому использование биомассы для получения экологически чистых пористых аэрогелей из углеродного волокна является экономичным и устойчивым методом производства.

Исследователи из Китая, США и Европы провели исследования по получению и применению аэрогелевых материалов на основе биомассы, достигнув ряда исследовательских результатов. Исследователи из Французского национального центра научных исследований растворили целлюлозу в растворе гидроксида натрия, чтобы получить новый высокопористый чистый целлюлозный аэрогелевый материал с внутренней удельной площадью поверхности 200-300 м2/г и плотностью всего 0,06-0,3 г/см3. Исследователи из Университета Колорадо использовали отходы пивоваренной промышленности в качестве питательной среды и Acetobacter acetobacter для получения бактериальной целлюлозы. Затем они использовали сверхкритическую сушку и другие методы для получения аэрогелевых материалов на основе бактериальной целлюлозы с низкой теплопроводностью. Исследователи из Китайско-австралийского института передовых материалов и производства (IAMM) при Университете Цзясин в Китае разработали аэрогель на основе целлюлозных нановолокон с механической прочностью под водой, высокой эластичностью и супергидрофильностью. Его можно использовать для разделения эмульсий типа «масло в воде» и выработки солнечной пара, решая проблемы плохой водостойкости и низкой механической прочности целлюлозного аэрогеля под водой, тем самым устраняя препятствия для его применения.

Материалы аэрогеля для 3D-печати добились ряда технологических успехов

Из-за ограниченных механических свойств традиционных аэрогелей сложно формировать желаемые сложные формы и структуры с помощью постобработки. Поэтому ожидается, что технология 3D-печати, которая может быть использована для настройки сложных структур, станет передовой производственной технологией, которая сможет преодолеть узкое место в применении аэрогелей. В 2015 году исследователи из Калифорнийского университета, США, впервые использовали 3D-печать для производства графеновых аэрогелей. С тех пор 3D-печатные аэрогели стали горячей точкой исследований. В настоящее время основными методами печати для производства 3D-печатных аэрогелей являются экструзия, холодное литье по требованию (DOD) и фотоотверждение. На основании их первичного состава 3D-печатные аэрогели можно разделить на 3D-печатные углеродные аэрогели, 3D-печатные неорганические аэрогели и 3D-печатные органические аэрогели. Исследователи из Университета Акрона впервые применили технологию стереолитографии (SLA) для создания небольших кирпичиков, похожих на кубики Lego. Используя моделирование методом послойного наплавления (FDM) для создания форм, они затем впрыскивали аэрогель в формы и кирпичики. После постобработки, такой как извлечение из формы и отверждение, им удалось добиться модульного производства аэрогелевых кирпичиков. Исследователи из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий используют суспензию порошка кремниевого аэрогеля для прямой печати чернилами для печати микрообъектов из кремниевого аэрогеля. Эти объекты обладают высокой удельной площадью поверхности и сверхнизкой теплопроводностью, могут использоваться в качестве теплоизоляторов и микровоздушных насосов, а также способны разлагать летучие органические соединения.

Основные области применения аэрогелевых материалов

Аэрогели обладают свойствами, не свойственными традиционным твёрдым материалам, такими как чрезвычайно низкая плотность, сверхвысокая пористость, низкий показатель преломления, низкая теплопроводность и низкое акустическое сопротивление. Эти свойства открывают им огромный потенциал для применения в теплоизоляции, биомедицине, звукоизоляции, адсорбции и других областях.

Теплоизоляционное поле

Аэрогель обладает очень низкой теплопроводностью и является самым известным материалом для теплоизоляции и сохранения тепла. NASA провело комплексное сравнение теплоизоляции, качества, гибкости, механической прочности, толщины и других свойств различных материалов, включая пористые материалы, вспененные материалы, материалы с фазовым переходом и аэрогелевые материалы. Результаты показали, что аэрогель не только обладает хорошими общими характеристиками, но и обладает превосходными теплоизоляционными свойствами, что делает его потенциальным материалом для изготовления скафандров. Аэрогель также широко используется в гражданских целях, таких как энергосберегающие окна, солнечные коллекторы для крыш и теплоизоляционные покрытия, а также в военных целях, таких как изоляция черных ящиков самолетов и салонов истребителей.

Биомедицинская область

Аэрогелевые материалы обладают биосовместимостью, подходящими механическими свойствами и биоразлагаемостью и применяются в таких областях, как имплантируемые медицинские устройства, неинвазивная визуализация, костная пластика и биосенсоры. Кроме того, аэрогелевые материалы могут быть преобразованы в микросферы для замедленного высвобождения лекарственных средств, обеспечивая целенаправленное, контролируемое высвобождение лекарственных средств в целевые клетки, что демонстрирует их потенциальную применимость.

Звукоизоляционное поле

Аэрогельный материал не только обладает большой внутренней поверхностью, что позволяет звуковым волнам многократно отражаться от его внутренней поверхности и затухать, но и обладает чрезвычайно высокой пористостью. Наноразмерные поры на его поверхности приближают скорость вязкого течения воздуха к скорости кнудсеновской диффузии молекул воздуха, тем самым поглощая часть звуковой энергии, передаваемой через воздух, и обеспечивая хороший звукоизоляционный эффект.

Поле адсорбции

Аэрогелевые материалы обладают чрезвычайно высокой пористостью, эффективно адсорбируя органические вещества и удаляя ионы металлов. По сравнению с традиционными методами, использование углеродного аэрогеля для электросорбции ионов металлов из растворов обеспечивает преимущества в виде снижения вторичного загрязнения, энергосбережения и воспроизводимости. Кроме того, модифицированные аэрогелевые материалы способны избирательно адсорбировать определённые вещества. Например, тетраэтиленпентамин, загруженный в кремниевый аэрогель, может эффективно адсорбировать углекислый газ.

Перспективные направления исследований аэрогелевых материалов

Материалы для изготовления аэрогелей разнообразны, а процесс синтеза постепенно превратился в систему, однако в современных исследованиях аэрогелей все еще существуют некоторые проблемы: теплопроводность аэрогелей быстро возрастает в условиях высоких температур; по сравнению с металлическими материалами общая механическая прочность аэрогелей все еще относительно слаба; аэрогели имеют плохую адгезию к армирующим матрицам, таким как волокна; в процессе производства аэрогелей используется много органических растворителей, что приводит к загрязнению окружающей среды и не способствует крупномасштабному производству; аэрогели трудно перерабатывать, что не способствует устойчивому развитию и т. д.

Будущие направления исследований и тенденции развития аэрогелей будут в основном сосредоточены на разработке новых аэрогелевых материалов, таких как целлюлозные аэрогели, графеновые аэрогели, аэрогели со структурой перовскита и аэрогели с неметаллическими элементами; на регулировании структур аэрогелей путем использования различных прекурсоров, оптимизации методов синтеза и изменения армирования; а также на расширении областей применения аэрогелей.

Заключение

Разработка и применение аэрогелевых материалов всё ещё находятся в процессе непрерывного изучения. Несмотря на достигнутый прогресс в некоторых областях, такие проблемы, как недостаточное использование ресурсов, высокая стоимость производства и технические дефекты, всё ещё требуют решения. Крупные страны также будут участвовать в жёсткой конкуренции в этой области. Уровень исследований в моей стране в области аэрогелевых материалов является одним из лучших в мире. Мы должны продолжать исследования в области получения аэрогелевых материалов и крупномасштабного производства, расширять области их применения и сохранять лидирующие позиции в этой области.

Источник информации

1 石墨烯气凝胶
2 Graphene Aerogel: Introduction and Market News
3 未来潜力材料之气凝胶材料