گرافن هیدروژل-ائروژل

گرافن سه بعدی (گرافن هیدروژل-ائروژل) ساختاری سه بعدی است که از کنار هم قرار گرفتن صفحات گرافن در کنار هم ساخته می شود. با قرار گرفتن گرافن در این ساختار دیگر مشکل توده ای شدن و کاهش خواص مربوط به این دلیل وجود نخواهد داشت. گرافن سه بعدی به عنوان فاز افزودنی در کامپوزیت ها، کاربرد های کاتالیستی و حسگری، در ادوات ذخیره و تبدیل انرژی (باتری ها و ابرخازن ها) و به عنوان جاذب آلاینده از آب و هوا مورد استفاده قرار گرفته است. روش های مختلفی برای ساخت گرافن سه بعدی وجود دارد که از جمله می توان به ترسیب از بخار شیمیایی، استفاده از الگو، هیدروترمال و سولووترمال اشاره کرد.

روز به روز نیاز به موادی که بتوانند در زمینه های مختلف تحقیقاتی و عملی بازده و کارایی بالاتری داشته باشند افزایش می یابد. از این رو مواد پیشرفته ی جدیدی هم چون نانوساختارهای کربنی (به عنوان مثال: کربن فعال، نانولوله کربنی، نانوالیاف کربنی و گرافن) توجه ویژه ای را به خود جلب کرده اند اند تا بتوان به کمک آن ها بر چالش های موجود فائق آمد. از نانوساختارهای کربنی در زمینه های مختلفی هم چون ذخیره و تبدیل انرژی، حسگری، کاتالیستی، ادوات الکترونیکی و اپتیکی و فاز تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری استفاده می شود.

خواص گرافن

گرافن یکی از این نانومواد پیشرفته کربنی است که ساختار دو بعدی تک لایه ای دارد که اتم های کربن در آن به صورت 6 ضلعی قرار گرفته اند. این ماده در سال 2004 به روش لایه لایه کردن مکانیکی 1 برای اولین بار ساخته و خواص آن اندازه گیری شد. مشاهده شد که این ماده خواص ویژه ای دارد. از جمله این خواص می توان به ساختار به شدت منظم، سطح ویژه زیاد، مدول یانگ بالا، انتقال حرارت بالا، پایداری شیمیایی زیاد، پایداری حرارتی زیاد، رسانایی الکتریکی بالا و تحرک پذیری بالای الکترون اشاره کرد.

توده ای شدن گرافن

نانوصفحات گرافن تمایل دارند بازآرایی انجام دهند و به صورت لایه لایه روی یکدیگر قرار گیرند. این حالت موجب می شود که سطح ویژه، کم شود و بسیاری از خواصی که به واسطه سطح در آنها وجود دارد به نحو چشمگیری کاهش یابد.
برای فائق آمدن بر پخش شدن نامناسب و توده ای شدن،روش های دیگری برای ساخت گرافن باید ابداع می شد تا خواص گرافن در حالت توده ای نیز در دسترس باشد و بتوان از آن در کاربردهای عملی استفاده کرد. یکی از این رویکردها قرار دادن صفحات گرافن دو بعدی در ساختار توده ای سه بعدی است. به این ساختار نام های مختلفی هم چون گرافن سه بعدی، فوم گرافن، اسفنج گرافن و ائروژل گرافن اطلاق می شود. گرافن سه بعدی سطح ویژه و حجم تخلخل در دسترس بالایی دارد و در عین حال استحکام و رسانایی الکتریکی مناسب و چگالی پایینی دارد.

ساختار های سه بعدی گرافن توجه فراوانی را به خود جلب کرده اند و برای کاربرد های فراوانی مدنظر قرار دارند. در ادامه به برخی خواص و کاربردهای گرافن سه بعدی اشاره خواهد شد.

خواص گرافن هیدروژل-ائروژل

خواص گرافن سه بعدی از دو عامل ناشی می شود؛ یکی خواص اجزای سازنده آن و دیگری ساختار متخلخل سه بعدی که صفحات گرافن در آن قرار می گیرند. با توجه به نحوه قرارگیری صفحات گرافن در ساختار سه بعدی، این ماده خواص ویژه ای خواهد داشت که این خواص در مواردی با خواص اجزاء سازنده و یا ساختار های سه بعدی دیگر نظیر گرافیت و گرافیت انبساط یافته متفاوت است. ترکیبی از تخلخل های میکرو، مزو و ماکرو در ساختار گرافن سه بعدی وجود دارد. تخلخل های میکرو و مزو سطح ویژه زیادی را ایجاد می کنند و وجود تخلخل های ماکرو این اطمینان را می دهد که بتوان به این سطوح دسترسی داشت. هم چنین ساختار سه بعدی موجب می شود که توده ای شدن صفحات گرافن کاهش یابد و انتقال جرم به سهولت اتفاق بیافتد. مزیت دیگر این ساختار، استحکام مکانیکی قابل قبول و ساختار یکپارچه آن است که استفاده از آن و جمع آوری آن را ممکن می سازد و از رهاشدن نانوصفحات گرافن و مشکلات زیست محیطی آن جلوگیری می نماید.

کاربرد گرافن هیدروژل-ائروژل

گرافن سه بعدی به عنوان فاز افزودنی در کامپوزیت ها، کاربرد های کاتالیستی و حسگری، در ادوات ذخیره و تبدیل انرژی (باتری ها و ابرخازن ها) و به عنوان جاذب مورد استفاده قرار گرفته است.

ساختار منحصر به فرد و ویژه گرافن سه بعدی که سطح ویژه بالا و حفره های به هم پیوسته دارد این ماده را به عنوان گزینه مناسبی برای از بین بردن آلودگی های مختلف از آب و هوا معرفی کرده است. علاوه بر این ویژگی ها قابلیت جذب بالا و قابلیت استفاده مجدد نیز از اهمیت زیادی برخوردار است که گرافن سه بعدی این ویژگی ها را به صورت بالقوه دارد.

گرافن سه بعدی در محیط های آبی، پایداری بالایی دارد. بررسی ها نشان می دهد که این ماده می تواند در شرایط محیطی بسیار سخت هم چون اسید های قوی یا محلول های آبی حاوی نمک و حتی در محیط های آبی با حضور حلال های آلی همچون N,N -دی متیل فرمامید (DMF) و سیکلوهگزان پایداری خوبی از خود نشان می دهد. با توجه به این نکته و دیگر خواص آن، گرافن سه بعدی یکی از موادی است که برای از بین بردن آلودگی های موجود در آب مورد توجه قرار گرفته است.

علاوه بر این به علت هدایت الکتریکی مناسب و سطح موثر بالا در گرافن هیدروژل-ائروژل قابلیت بسیار خوبی در زمینه استفاده در باتری ها و ابرخازن ها دارد و ظرفیت بسیار مناسبی با پایداری بالا نشان می دهد.

روش های سنتز گرافن هیدروژل-ائروژل

روش های مختلفی برای ساخت گرافن سه بعدی پیشنهاد شده است که می توان آن ها را در دو گروه دسته بندی کرد. گروه اول سنتز مستقیم گرافن سه بعدی از منابع کربن همچون متان، اتانول و قندها است. روش های رشد دادن روی الگو به روش CVD و رشد دادن بدون استفاده از الگو در این گروه قرار می گیرند. گروه دوم گردآوری صفحات گرافن اکسید یا گرافن به روش های مختلف است. روش های احیای شیمیایی، احیای هیدروترمال، گردآوری صفحات گرافن-گرافن اکسید به کمک الگو و استفاده از عامل اتصال برای گردآوری صفحات گرافن در گروه دوم قرار می گیرند.