탄소 기반 소재는 에너지 저장, 환경 과학, 재료 화학 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 지난 수십 년 동안 국내외 많은 학자들이 바이오 숯, 그래핀, 산화 그래핀(GO), 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소 구체, 탄소 에어로겔, 질소와 같은 다양하고 새로운 탄소 기반 재료를 성공적으로 개발했습니다. -도핑된 탄소 및 흑연상 질화탄소. 에어로겔은 초미세 다공성 구조와 저밀도를 지닌 일종의 새로운 고체 소재입니다. 1931년 탄생 이후 늘 많은 주목을 받아왔습니다. 시간이 지남에 따라 연구자들은 초기 무기 실리카 에어로겔에서 점차적으로 개발된 유기 에어로겔에서 탄소 에어로겔로 확장하여 에어로겔 제조 방법을 계속 탐색하고 최적화하고 있으며 이에 따라 에어로겔의 적용 범위도 계속해서 확장하다.
탄소 기반 에어로겔은 유기 에어로겔을 전구체로 사용하여 불활성 가스 환경에서 고온 탄화를 통해 얻은 새로운 유형의 나노 다공성 탄소 소재입니다. 에어로겔과 탄소 기반 소재의 이중 특성을 가지고 있습니다. 낮은 밀도, 높은 비표면적 및 높은 다공성으로 인해 탄소 기반 에어로젤은 에너지 저장, 흡착, 센서, 전자파 차폐 및 흡수에 널리 사용되었습니다.
이미지 출처:콜로이드 및 인터페이스 과학 저널
탄소 기반 에어로겔의 분류:
원료 공급원의 차이에 따라 탄소 에어로겔은 흑연 기반 탄소 에어로겔, 유기 탄소 에어로겔 및 탄소 복합 에어로겔의 세 가지 범주로 대략 나눌 수 있습니다.
그래핀 에어로겔 및 탄소나노튜브 에어로겔과 같은 흑연 기반 탄소 에어로겔의 경우 흑연-탄소 재료는 적절한 조립 공정을 사용하여 3차원 에어로겔 구조로 직접 결합됩니다. 높은 전기 전도성으로 인해 이러한 탄소 에어로젤 소재는 다양한 전자 장치 및 센서에 널리 사용됩니다.
유기탄소 에어로겔의 전구체 물질은 유기물에 속하며, 고온 탄화 과정을 거쳐 탄소물질로 변한 후 조립 공정을 통해 3차원 다공성 구조를 형성한다. 이러한 탄소 기반 에어로겔은 바이오매스 탄소 에어로겔과 폴리머 기반 탄소 에어로겔로 세분화될 수 있습니다. 뛰어난 흡착 특성과 독특한 구조적 특성으로 인해 환경 보호 및 에너지 분야에서 광범위한 응용 및 개발 잠재력을 가지고 있습니다.
탄소 복합 에어로겔은 최근 몇 년간 탄소 기반 에어로겔 분야에서 매우 중요한 개발 추세입니다. 유기기 또는 고분자를 도입함으로써 성분 간의 비율을 조절하고 제어할 수 있으며, 취성 증가, 수분 용이성, 유연성 저하 등과 같은 단일 성분 탄소 기반 에어로겔 소재의 문제점을 최적화할 수 있습니다. 우수한 특성을 유지하면서 탄소 복합 에어로겔은 다양한 재료 간의 기능적 상보성을 달성하여 탄소 기반 에어로겔의 적용을 위한 더 넓은 공간을 열어줍니다.
탄소 기반 에어로겔의 제조:
탄소 기반 에어로겔의 제조에는 일반적으로 다음 세 단계가 포함됩니다: (1) 전구체 분리, 졸 겔화 및 노화; ② 젤이 건조되어 에어로젤이 됩니다. ③ 에어로겔을 탄화시켜 탄소 기반 에어로겔을 얻는다. 탄소 기반 에어로겔은 많은 응용 분야에서 우수한 성능을 보였지만 복잡한 준비 과정, 높은 비용 및 낮은 수율로 인해 실제 적용이 제한됩니다. 탄소 기반 에어로겔 소재의 제조 방법에는 주로 졸겔법, 수열법, 화학기상증착법, 얼음 템플릿법 등이 있다.
탄소 기반 에어로겔의 적용:
탄소 기반 에어로겔은 나노 다공성 구조를 지닌 일종의 가볍고 다공성이며 비결정성 탄소 소재입니다. 탄소 기반 에어로젤은 전기화학 에너지 저장, 촉매 및 담체, 국방 및 군사 산업, 환경 보호 등 핵심 분야에서 중요한 응용 가치를 갖고 있습니다.
1.뜨거운 배터리 및 슈퍼커패시터의 단열
에너지 저장 장비에서 온도는 성능과 수명에 큰 영향을 미칩니다. 에어로겔은 뜨거운 배터리나 슈퍼커패시터의 단열재로 사용되어 배터리나 커패시터 내부에서 열이 너무 빨리 전달되는 것을 방지하고 장비의 작동 온도의 안정성을 유지함으로써 장비의 성능과 안전성을 향상시킬 수 있습니다.
2. 흡음재
에어로겔은 다공성 구조로 인해 우수한 흡음 특성을 갖습니다. 에어로겔의 기공에서 음파가 전파되면 여러 번 반사되고 산란되므로 음파 에너지가 계속해서 쇠퇴합니다. 콘서트 홀, 녹음 스튜디오 및 기타 음향 환경 요구 사항이 높은 장소에서 에어로겔을 사용하여 흡음 패널을 제조하여 실내 잔향 시간을 효과적으로 줄이고 소리의 선명도를 향상시킬 수 있습니다.
3.촉매 지원
에어로겔의 높은 비표면적은 촉매를 위한 많은 로딩 사이트를 제공합니다. 자동차 배기가스의 촉매정화, 산업폐가스의 촉매산화 등 환경촉매반응에서 에어로겔 담체에 촉매를 담지하면 촉매의 분산성과 활성을 향상시켜 유해물질의 전환을 촉진시킬 수 있습니다. 보다 효과적으로 오염 물질 배출을 줄입니다.
4.전자기기용 포장재
에어로겔은 전기 절연성이 좋고 유전율이 낮아 전자 기기의 포장재로 사용할 수 있습니다. 집적 회로 및 칩과 같은 전자 장치에서 에어로겔 포장은 습기 및 먼지와 같은 환경 요인으로부터 전자 부품을 보호할 수 있으며, 낮은 유전율은 신호 전송 중 지연 및 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다.
이미지 출처:RSC Advances