Графен аэрогель: Графен-аэрогель: самый легкий материал в мире

Содержание

как первый в мире аэрогель на основе оксида графена очистит воду и воздух / Хабр

Больше четверти населения Земли — свыше 2 млрд человек — лишены полноценного доступа к питьевой воде, по оценкам ООН. И недостаток в пресной воде только возрастает. Однако новые технологии могут его восполнить.

Среди них — уникальная разработка российских ученых для очистки не только воды, но и воздуха от органических загрязнений — композитный сорбент на основе оксида графена. Новейший материал создали ученые Центра Национальной технологической инициативы (НТИ) «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана, в консорциуме которого 17 компаний, в числе которых Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН). Сегодня они продолжают оптимизировать состав и структуру сорбента.

Фото: Центр НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Композитный сорбент (аэрогель) на основе оксида графена имеет высокопористую структуру, что позволяет задерживать загрязнения в виде пыли или других мелких частиц микронного размера, обладает антибактериальными эффектами, а также имеет супергидрофобные свойства, поэтому его можно использовать как на суше, так и на воде. Уникальность сорбента еще и в том, что использовать его можно многократно — в режиме «сорбция-десорбция» он выдерживает не менее 10 циклов выпаривания или выжигания загрязнителя.

Под загрязнителями подразумеваются красители, растворители и другие химические отходы предприятий легкой промышленности. Сегодня ученые ИПХФ РАН и Центра НТИ оптимизируют сорбент для применения во время сбора и утилизации аварийных разливов нефти, нефтепродуктов и не смешиваемых с водой растворителей. В первую очередь, материал будет использован в этих целях.

«Обычно коммерческие сорбенты не обладают супергидрофобными свойствами, поэтому при сборе загрязнителей в виде, например, нефти с водных поверхностей, частично захватывают и воду, что снижает их сорбционную емкость. Наш материал будет собирать только органику, отталкивая воду. Как сорбент, аэрогель показал высокую сорбционную активность и сорбционную емкость по отношению к большому числу органических растворителей, а также нефти и нефтепродуктам. Аэрогель способен впитать от 15 до 23 раз больше собственного веса. По сравнению с коммерческими сорбентами, емкость нашего материала выше более чем в 2 раза по нефти», — рассказал директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. Владимир Нелюб.

Кроме того, для удобства практического применения сорбент может изготавливаться в виде гранул, цилиндрических изделий или даже блоков. Гранулы представляют собой сферы или полусферы диаметром всего 6-10 миллиметров. Такая форма может быть удобна для массового применения в экологических целях. Блочные изделия могут быть использованы, например, в боновых заграждениях.

«Пока за рубежом аналогов такого аэрогеля нет. Сейчас оформлена заявка на патент. Патентуется сам аэрогель в виде супергидрофобного сорбента и способ его получения», — рассказала заместитель директора ИПХФ РАН Эльмира Бадамшина.

Что он еще сможет?

Ученым, входящими в консорциум Центра НТИ, еще предстоит много работы по усовершенствованию состава, свойств и расширению сферы применения аэрогеля. К примеру, они будут трудиться над тем, чтобы использовать сорбент в системах фильтрации воздуха. Теоретически это возможно. Кроме того, планируется создать технологию, при которой грязную воду можно очистить до уровня питьевой. Но здесь не получится обойтись только возможностями аэрогеля, потребуется и другие материалы.

«Для очистки от органических загрязнений, не растворенных в воде, аэрогель работать будет. Но будет ли работать в случае загрязнений, растворенных в воде, пока сказать трудно», — рассказала Эльмира Бадамшина.

Может ли новая технология превращать соленую воду в пресную? Пока об опреснении речь не идет. Однако потенциал у графеновых материалов в этом направлении есть. Сегодня многие ученые мира работают над тем, чтобы использовать мембраны из оксида графена для процессов обратного осмоса и ультрафильтрации, при которых мембраны пропускают сквозь себя только молекулы воды, а все соли и загрязнения смываются в дренаж.

«В целях оптимизации состава аэрогеля в 2022 году планируется получить сорбент, который обладал бы магнитными свойствами. Это необходимо для более удобного сбора отработанного сорбента с помощью магнитных ловушек. Для очистки от микробных загрязнений и колоний бактерий (биопленок) планируется ввести в состав сорбента антибактериальные компоненты. Оксид графена, входящий в состав сорбента, также обладает антибактериальными свойствами, поэтому другие противомикробные компоненты лишь усилят это действие», — добавил Владимир Нелюб.

Очевидно, что сорбент на основе оксида графена — разработка уникальная и крайне необходимая в современном мире. Ожидается, что она выйдет на рынок в 2025-2026 годы. Пока что ученым трудно предсказать, насколько получение такого аэрогеля будет дешевым. Дело в том, что оксид графена сегодня является материалом с высокой стоимостью. Однако технология его получения неплохо масштабируется и в будущем его можно сделать относительно дешевым.

Аэрогель из графена и углеродных нанотрубок лишен недостатков своих предшественников

Сочетание графена и углеродных нанотрубок позволило получить углеродный аэрогель, лишенный недостатков аэрогелей только из графена или только из нанотрубок. Новый композитный материал из углерода помимо обычных для всех аэрогелей свойств — чрезвычайно низкой плотности, твердости и низкой теплопроводности — обладает также высокой эластичностью (способностью восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений) и прекрасной способностью абсорбировать органические жидкости. Это последнее свойство может найти применение для ликвидации разливов нефти.

По определению, гель — это один из видов коллоидных систем, представляющий собой взвесь жидких частиц в твёрдом теле. Твердого компонента в геле намного меньше по объему, чем жидкого, но он представлен частицами нанометрового размера, контактирующими друг с другом и образующими разветвленную сеть из цепочек и листов, непрерывно пронизывающую весь объем геля. Именно за счет этого гель сопротивляется текучести и является студенистым или даже упругим, а не жидким. Если жидкую фазу полностью заместить газообразной (например, воздухом), мы получим аэрогель. Твердая фаза занимает в нем меньше 15% объема — как правило, около 1% или даже меньше.

Обычно для приготовления аэрогелей используют два родственных метода. Первый из них — сверхкритическая сушка. Если просто высушить гель, отступающая жидкость будет стягивать сетку наночастиц, поэтому сушку нужно проводить при условиях, в которых нет поверхностного натяжения, то есть когда жидкость находится в сверхкритическом состоянии.

Представим себе, что мы нагреваем замкнутый сосуд с жидкостью и парами этой жидкости. Чем выше температура, тем больше жидкости будет испаряться, переходя в газовую фазу, и тем выше будет давление, а вместе с ним и плотность газовой фазы (фактически — количество испарившихся молекул). При определённых давлении и температуре, величина которых будет зависеть от того, что за вещество в сосуде, плотность молекул в жидкости окажется такой же, как в газовой фазе. Такое состояние жидкости и называют сверхкритическим. В этом состоянии нет различия между жидкой и газовой фазой, а поэтому нет и поверхностного натяжения.

Еще более легкие (менее плотные) аэрогели получаются методом химического осаждения вещества, которое будет выполнять роль твердой фазы аэрогеля, на ранее приготовленную пористую подложку, которую затем растворяют. Этот метод позволяет регулировать плотность твердой фазы (путем регулирования количества осаждаемого вещества) и ее структуру (путем использования подложки с необходимой структурой).

Благодаря своей структуре аэрогели обладают набором уникальных свойств. Хотя их прочность приближается к прочности твердых тел (рис. 1A), по плотности они близки к газам. Так, лучшие образцы кварцевого аэрогеля имеют плотность около 2 мг/см3 (плотность входящего в их состав воздуха — 1,2 мг/см3 ), что в тысячу раз меньше, чем у непористых твердых материалов.

Аэрогели обладают и крайне малой теплопроводностью (рис. 1B), поскольку теплу нужно пройти сложный путь по разветвленной сети из очень тонких цепочек наночастиц. При этом перенос тепла по воздушной фазе также затруднен из-за того, что эти же цепочки делают невозможной конвекцию, без которой теплопроводность воздуха очень низка.

Ещё одно свойство аэрогеля — его необычайная пористость — позволило доставить на Землю образцы межпланетной пыли (см. Сборщик звездной пыли возвращается домой, «Элементы», 14.01.2006) с помощью космического аппарата Stardust. Его устройство сбора представляло собой блок аэрогеля, попадая в который, частицы пыли останавливались с ускорением несколько миллиардов g, не разрушаясь (рис. 1C).

Главным недостатком аэрогеля до недавнего времени была его хрупкость: он растрескивался при повторных нагрузках. Все полученные на тот момент аэрогели — из кварца, некоторых оксидов металлов и углерода — обладали этим недостатком. Но с появлением новых углеродных материалов — графена и углеродных нанотрубок — проблема получения эластичных и устойчивых к разрушению аэрогелей была решена.

Графен — это лист толщиной в один атом, в котором атомы углерода образуют гексагональную решетку (каждая клетка решётки — шестиугольник), а углеродная нанотрубка — это такой же лист, свернутый в цилиндр толщиной от одного до десятков нанометров. Эти формы углерода обладают большой механической прочностью, эластичностью, очень высокой площадью внутренней поверхности, а так же высокой тепло- и электропроводностью.

Однако материалы, приготовленные отдельно из графена или отдельно из углеродных нанотрубок, тоже имеют свои недостатки. Так, аэрогель из графена плотностью 5,1 мг/см3 не разрушался под нагрузкой, превосходящей его собственный вес в 50 000 раз, и восстанавливал форму после сжатия на 80% от исходного размера. Однако из-за того, что графеновые листы обладают недостаточной жесткостью при изгибе, уменьшение их плотности ухудшает упругие свойства аэрогеля из графена.

Аэрогель из углеродных нанотрубок обладает другим недостатком: он более жесткий, но вообще не восстанавливает форму после снятия нагрузки, поскольку нанотрубки под нагрузкой необратимо изгибаются и перепутываются, а нагрузка плохо передается между ними.

Напомним, что деформация — это изменение положения частиц физического тела друг относительно друга, а упругая деформация — это такая деформация, которая исчезает вместе с исчезновением силы, ее вызвавшей. «Степень» упругости тела (так называемый модуль упругости) определяется зависимостью механического напряжения, возникшего внутри образца при приложении деформирующей силы, от упругой деформации образца. Напряжение в данном случае — это сила, приложенная к образцу на единицу его площади. (Не путать с электрическим напряжением!)

Как продемонстрировала группа китайских ученых, эти недостатки полностью компенсируются, если использовать при приготовлении аэрогеля одновременно графен и нанотрубки. Авторы обсуждаемой статьи в Advanced Materials использовали водный раствор нанотрубок и оксида графена, вода из которого была удалена путем замораживания и сублимации льда — лиофилизации (см. также Freeze-drying), при которой также устраняются эффекты поверхностного натяжения, после чего оксид графена был химически восстановлен до графена. В получившейся структуре графеновые листы служили каркасом, а нанотрубки — ребрами жесткости на этих листах (рис. 2A, 2B). Как показали исследования под электронным микроскопом, графеновые листы перекрываются друг с другом и образуют трехмерный каркас с порами размером от десятков нанометров до десятков микрометров, а углеродные нанотрубки образуют перепутанную сеть и плотно прилегают к графеновым листам. По-видимому, это вызвано выталкиванием нанотрубок растущими ледяными кристалами при замораживании исходного раствора.

Плотность образца составила 1 мг/см3 без учета воздуха (рис. 2C, 2D). А согласно расчетам в представленной авторами структурной модели, минимальная плотность, при которой аэрогель из использованных исходных веществ еще сохранит целостность структуры, составляет 0,13 мг/см3, что почти в 10 раз меньше плотности воздуха! Авторы смогли приготовить композитный аэрогель с плотностью 0,45 мг/см3 и аэрогель только из графена плотностью 0,16 мг/см3, что меньше предыдущего рекорда, принадлежащего аэрогелю из ZnO, осажденному на субстрат из газовой фазы. Уменьшения плотности можно достичь, используя более широкие листы графена, но при этом снижается жесткость и прочность полученного материала.

При испытаниях образцы такого композитного аэрогеля сохраняли форму и микроструктуру после 1000 повторных сжатий на 50% от исходного размера. Сопротивляемость сжатию приблизительно пропорциональна плотности аэрогеля и во всех образцах постепенно возрастает с увеличением деформации (рис. 3A). В диапазоне от –190°С до 300°С упругие свойства полученных аэрогелей почти не зависят от температуры.

Испытания на разрыв (рис. 3B) были проведены для образца с плотностью 1 мг/см3, и образец выдержал растяжение на 16,5%, что совершенно немыслимо для оксидных аэрогелей, которые при растяжении трескаются сразу. Кроме того, жёсткость при растяжении выше, чем при сжатии, то есть образец сминается легко, а растягивается с трудом.

Этот набор свойств авторы объяснили синергетическим взаимодействием графена и нанотрубок, при котором свойства компонентов взаимно дополняют друг друга. Углеродные нанотрубки, покрывающие графеновые листы, служат связью между соседними листами, которая улучшает передачу нагрузки между ними, а так же ребрами жесткости для самих листов. Благодаря этому нагрузка приводит не к движению листов друг относительно друга (как в аэрогеле из чистого графена), а к упругой деформации самих листов. А поскольку нанотрубки плотно прилегают к листам и их положение задается положением листов, они не испытывают необратимых деформаций и перепутывания и не движутся друг относительно друга под нагрузкой, как в неэластичном аэрогеле только из нанотрубок. Оптимальными свойствами обладает аэрогель, состоящий поровну из графена и нанотрубок, а с увеличением содержания нанотрубок они начинают образовывать «колтуны», как в аэрогеле только из нанотрубок, что приводит к потере эластичности.

Кроме описанных упругих свойств композитный углеродный аэрогель обладает и другими необычными свойствами. Он электропроводен, причем электропроводность обратимо меняется при упругой деформации. Кроме того, аэрогель из графена и углеродных нанотрубок отталкивает воду, но при этом прекрасно абсорбирует органические жидкости — 1,1 г толуола на воде было полностью абсорбировано куском аэрогеля весом 3,2 мг за 5 секунд (рис. 4). Это открывает прекрасные возможности для ликвидации разливов нефти и очищении воды от органических жидкостей: всего 3,5 кг такого аэрогеля могут абсорбировать тонну нефти, что в 10 раз больше, чем емкость коммерчески используемого абсорбента. При этом абсорбент из композитного аэрогеля регенерируем: благодаря его эластичности и термической стойкости абсорбированная жидкость может быть выдавлена, как из губки, а остаток просто выжжен или удален испарением. Испытания показали, что свойства сохраняются после 10 таких циклов.

Разнообразие форм углерода и уникальные свойства этих форм и материалов, полученных на их основе, продолжают удивлять исследователей, так что в будущем можно ожидать все новых и новых открытий в этой области. Сколько всего можно сделать только из одного химического элемента!

Источник: Haiyan Sun , Zhen Xu, Chao Gao. Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels // Advanced Materials. 2013. V. 25. P. 2554–2560.

См. также:
1) Wencai Ren & Hui-ming Cheng. When two is better than one // Nature. 2013. V. 497. P. 448–449.
2) Тим Скоренко. Когда воздух кажется тяжелым, «Популярная механика» №6, 2013.

Иван Лаврёнов

Встречайте аэрографен, материал легче воздуха и прочнее стали | by Naila Moloo

Аэрогель и графен сами по себе имеют огромное значение. Фактически, они участвуют в чем-то вроде соревнования между тем, кто является лучшим материалом с точки зрения проводимости, легкости и прочности. Однако аэрографен, который по существу представляет собой аэрогель на основе графена, фактически стал наименее плотным материалом из существующих . При плотности всего 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр его может удерживать один цветок.

Также в 10 раз прочнее стали.

Открытие

Аэрографен был обнаружен в Чжэцзянском университете в 2013 году группой ученых под руководством Гао Чао. Эта группа ранее разрабатывала материалы на основе графена, хотя все они были одномерными или двумерными веществами. Сначала они лиофилизировали растворы углеродных нанотрубок с оксидом графена, а затем удалили кислород, в результате чего получился трехмерный материал, названный аэрографеном. Аэрографен был выдающееся изобретение , и хотя все еще относительно новое, оно быстро набирает обороты.

Но… что это на самом деле?

Эографен, также известный как графеновый аэрогель, представляет собой смесь аэрогеля и графена, как следует из названия. Поэтому, чтобы разобраться в этом уникальном материале, мы должны разбираться в каждом компоненте отдельно.

Аэрогель представляет собой синтетический пористый материал , изготовленный путем смешивания полимера с растворителем. Это образует гель, и воздуха затем вводят внутрь после удаления любой жидкости (добавляя до 9содержание воздуха 9,98 %). Это делает сверхлегкий твердый материал в сочетании с чрезвычайно низкой плотностью, высокой проводимостью и превосходными изолирующими свойствами.

Аэрогель

Первый из когда-либо созданных аэрогелей имел основу из кремния , который был очень легким, но после этого создания стали изучаться еще более легкие версии на основе углерода. Вот тут-то и появилась альтернатива на основе графена, которая дала шокирующие результаты. Графен представляет собой углеродный аллотроп толщиной в один атом с исключительными электрическими и механическими свойствами и является одним из самых прочных материалов в мире (для контекста, это взяло бы слона, балансирующего на карандаше над листом графена толщиной сарановая пленка, чтобы графен не порвался!).

Графен

Аэрографен гибкий и эластичный, способный возвращаться к своей конфигурации после сжатия. Он также очень хорошо впитывает — на самом деле, он может впитать в 850 раз больше собственного веса! Аэрографен описывается как «сеть ковалентно связанных листов графена, окружающих большие карманы воздуха, что приводит к плотности порядка 3 мг см ». Он известен своей гидрофобностью, возможностью повторного использования и олеофильностью.

Почему аэрографен не уплывает?

Обычный вопрос с аэрографеном, который у меня самого тоже был , если аэрографен намного легче воздуха, почему он просто не уплывает?

Внутри аэрографена тонна пустого пространства из-за воздуха внутри. Однако именно поэтому аэрографен не плавает. Объем воздуха, который вытесняет конструкция, занимает объем крошечных нанотрубок аэрографена. Вес вытесненного воздуха отображает выталкивающую силу , что не больше веса аэрографена.

Как это сделано?

Существуют различные методы синтеза аэрографена, но обычно он включает восстановление исходного раствора оксида графена для создания графенового гидрогеля . Отсюда любой растворитель удаляется из пор путем лиофильной сушки и заменяется воздухом!

Также появилась новая альтернатива синтезу аэрографена – 3-D печать ! Это научный прорыв. Он работает путем диффузии графена в гель для создания смолы. С использованием УФ-светодиод , графеновая смола может быть отверждена до твердого состояния, а затем высушена в печи. Такой метод проектирования аэрографена имеет важное значение, потому что теперь графен можно использовать в трехмерных производственных проектах, и он дает людям возможность печатать сложные, легкие и прочные конструкции.

Будущее аэрографена

Аэрографен может звучать как мечта, которая кажется очень далекой, как и самые выдающиеся открытия, касающиеся этих типов мистических материалов, однако это удобное вещество уже продается в коммерческих целях за 300 долларов за грамм (что не слишком дешево, но, вероятно, будет продолжать снижаться). Кроме того, у него могут быть фантастические приложения!

Одним из важнейших последствий использования аэрографена является его способность вызывать разливов нефти . Поскольку материал настолько абсорбирующий, эти графеновые аэрогели можно было бы собрать после разливов нефти, не оставив после себя беспорядка (и без структурного повреждения аэрографена из-за его эластичности).

Другое приложение включает сбор пыли с хвостов комет . При встраивании в коллекторную решетку космического корабля одной стороной, обращенной к частицам, приближающимся к комете, а другой — в противоположном направлении, аэрографен может пригодиться, потому что любая кометная пыль, находящаяся при близком контакте, закопается в него. Это позволило бы доставить кометную пыль на Землю и изучить ее ученым!

Другие последствия включают использование для изоляции, материалов с фазовым переходом для хранения энергии и производства легких аккумуляторов с более высокой плотностью энергии — и других крутых конструкций!

Заключение

Давайте сделаем краткий обзор того, что мы узнали!

  • Аэрографен прочный, легкий, проводящий, гибкий и растворимый.
  • Открыт в 2013 году учеными Чжэцзянского университета.
  • Аэрографен по существу представляет собой аэрогель, синтетический пористый материал, преимущественно состоящий из воздуха, с основой из графена, сверхпрочного аллотропа углерода.
  • Не уплывает благодаря выталкивающей силе.
  • Его можно изготовить химическими методами или, в последнее время, с помощью 3D-печати!
  • Аэрографен имеет множество применений: от смягчения последствий разливов нефти до сбора кометной пыли!

Если вы хотите увидеть больше моих работ, свяжитесь со мной в LinkedIn, Twitter или подпишитесь на мою ежемесячную рассылку!

Ознакомьтесь с этими ресурсами, если хотите узнать больше!

ZEN Graphene Solutions объявляет о соглашении о сотрудничестве в области углеродных аэрогелей с German Aerospace…

Zen Graphene Solutions недавно объявила о подписании нового соглашения о сотрудничестве в области исследований с Deutsches…

www. graphene-info.com

Флагманские партнеры Graphene производят экологически чистые графеновые чернила

Флагманские партнеры Graphene Тринити-колледж в Дублине, Ирландия, CIC EnergiGUNE и INCAR-CSIC, Испания, выпустили…

www. graphene-info.com

Смачивающие свойства графеновых аэрогелей

Графеновые гидрофобные покрытия проложили путь к новому поколению оптоэлектронных и жидкостных устройств…

www.nature.com

Графеновый аэрогель получает корону самого легкого материала в мире

Не прошло и года после того, как он заявил о себе как о самом легком материале в мире, аэрографит лишился своего…

newatlas.com

Хотите колонизировать Марс? Аэрогель может помочь

Исследователи изучают, может ли чудо-материал, используемый в марсоходах, помочь согреть районы Красной планеты, богатые… в окислительном дегидрировании пропана

Самособирающиеся гибриды графенового аэрогеля и наноалмазов в качестве высокоэффективных катализаторов в окислительном дегидрировании пропана†

Лаура
Ролдан, и

Ана М.
Бенито и
и

Энрике
Гарсия-Бордехе* a

Принадлежности автора

*

Соответствующие авторы

и

Instituto de Carboquimica (ICB-CSIC), Miguel Luesma Castán 4, E-50018 Сарагоса, Испания

Электронная почта:
[email protected]
Факс: +34 976733318
Тел.: +34 976733977

Аннотация