В своей последней работе группа ученых из США предложила новый способ создания аэрогеля на основе оксида графена, содержащего высоко кристаллизованные фрагменты этого материала. Созданные при помощи этой методики аэрогели в перспективе могут найти применение в катализаторах, устройствах хранения энергии, разнообразных датчиках, композитных материалах и даже в инструментах для опреснения воды. С точки зрения всех перечисленных применений они оказались намного лучше созданных ранее пен, которые включали кристаллические структуры более низкого качества.

Аэрогели уже сегодня используются в целом ряде технологических и промышленных сфер, поскольку они имеют большое соотношение площади поверхности к объему, чрезвычайно мелкие поры и очень низкую плотность.

Графен – лист атомов углерода всего в один атом толщиной – является перспективным материалом для изготовления в будущем молекулярных электронных устройств, благодаря обнаруженным у него уникальным электронным и механическим свойствам, в том числе, чрезвычайно высокой электропроводности и исключительной прочности.

Помимо разработки двумерных структур на основе этого материала, ученые сейчас заняты работой над поиском трехмерной графеновой структуры, к примеру, аэрогеля, который имел бы высокую площадь поверхности и достаточно малые поры, меньше 100 нм в диаметре. Подобный аэрогель был бы намного полезнее для целого ряда практических приложений, нежели плоские листы этого материала. Обуславливается это тем, что он имел бы гораздо большую емкость, благодаря небольшому размеру пор (это является преимуществом для таких технологий, как хранение водорода, катализ, аккумуляторные батареи и фильтрация).

Как правило, подобные аэрогели создаются при помощи преобразования в гель водной суспензии оксида графена. В этом процессе оксид графена частично уменьшается и формирует трехмерную пористую сеть в жидкости. Когда жидкость удаляют, остается сухая трехмерная структура графена.

Описанная методика обладает рядом проблем, в частности, графен в полученных таким образом структурах, имеет очень низкое качество по сравнению с графеном, полученным с помощью других методов (путем механического пиллинга или в ходе осаждения из парообразной фазы).

А некачественные листы графена, в конечном счете, обладают плохими физическими, механическими и электрическими свойствами.

Теперь же группа ученых из University of California (США) предложили новую методику создания аэрогеля на основе оксида графена, в результате которой получаются фрагменты графена очень высокого качества.

Разработанная методика предполагает вначале образование геля из водной суспензии оксида графена при небольших температурах (около 80 градусов по Цельсию) в базовом растворе гидроксида аммония.

После чего исследователи высушивают этот влажный гель с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии, а затем результат обжигается в атмосфере азота при температуре 1050 градусов по Цельсию.

Описанная методика позволяет получить, условно говоря, графен «стандартного» качества.

Чтобы создать высококристаллический гель, ученые добавляют еще один шаг – обжиг в гелии при температуре 1500 по Цельсию. Еще более качественного результата им удалось добиться, используя обжиг при температурах 2000 и 2500 градусов по Цельсию.

Лучшее качество графена в новом аэрогеле означает, что созданные пенопласты ведут себя стабильнее при более высоких температурах.

Кроме того,

они механически прочнее и имеют более интересные электрические свойства по сравнению с аэрогелями, создававшимися ранее.

Также ученые отмечают, что

созданные аэрогели имеют высокую площадь поверхности и малые размеры пор даже при обжиге при температуре 2500 градусов по Цельсию. Изображения, полученные посредством просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, говорят о том, что такой аэрогель состоит в основном из высококристаллического графена (с одним или малым количеством слоев).

По словам исследователей среди возможных областей применения их разработки – катализ и хранение энергии, например, в суперконденсаторах и аккумуляторах, а также опреснительные технологии, датчики и композитные материалы.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.