Углеро́дный аэроге́ль, синтетический пористый материал, представляющий собой гель, состоящий из связанных кластеров углеродных наночастиц размером 3–20 нм, в котором жидкая дисперсионная среда полностью замещена на газообразную. Представляет собой трёхмерную сетку, состоящую из соединённых между собой углеродных наночастиц, в качестве которых могут выступать углеродные нанотрубки, графен, карбиды, карбонитриды, аморфный углерод и др. Объём газа в углеродном аэрогеле составляет 90–99% от общего объёма материала.
Свойства углеродных аэрогелей сильно зависят от условий их получения. Получение углеродных аэрогелей включает в себя три стадии: полимеризация (гелеобразование), сушка и карбонизация.
Получение
Углеродные аэрогели традиционно получают путём полимеризации резорцина и формальдегида с использованием различных катализаторов. Сначала происходит образование гидроксиметиловых групп (-CH2OH) через реакции присоединения формальдегида и гидроксильных групп резорцина. Затем гидроксиметилрезорцин конденсируется с образованием метиленовых (–CH2–) и метилен-эфирных (–CH2OCH2–) мостиков. Далее происходит образование трёхмерно упорядоченной сетки гидрогеля за счет агломерации и сшивки полученных молекул. В качестве катализаторов процесса присоединения используют гидроксид натрия, карбонат натрия, карбонат калия, гидроксид кальция и др. Возможно использование других пар ароматическое соединение – альдегид, например меламин и формальдегид, фенол и формальдегид, фенол и фурфурол, крезол и формальдегид и др. На этапе полимеризации возможно использование темплатов (полимеров, неорганических солей, керамических наночастиц и др.), которые позволяют получить углеродные аэрогели с узким распределением пор по размерам, упорядоченной структурой и гибкостью.
Сушка
Сушка полученных гидрогелей оказывает значительное влияние на структурные свойства будущего углеродного аэрогеля. На этом этапе происходит удаление растворителя, поэтому подбор условий важен для сохранения пространственной структуры гидрогеля. Методы сушки углеродных аэрогелей делят на три категории: сушка замораживанием, сушка в сверхкритических условиях и сушка при нормальных условиях. С помощью сушки в сверхкритических условиях получают углеродные аэрогели с высокой пористостью и однородной структурой, однако данный метод сложен в исполнении и трудоёмок. При сушке замораживанием растворитель удаляется путём сублимации растворителя при низком давлении. Метод простой, доступный, экологичный и позволяет легко контролировать размер пор, изменяя скорость замораживания. Сушка при нормальных условиях наиболее подходит для производства углеродных аэрогелей в промышленных масштабах за счёт своей дешевизны и безопасности для окружающей среды. При таком типе сушки происходит усадка материала из-за высокой поверхности натяжения на межфазной границе, что отрицательно влияет на механические свойства углеродного аэрогеля. Усадку можно нивелировать, заменяя исходный растворитель растворителем с меньшим поверхностным натяжением.
Карбонизация и активация
Для улучшения механических свойств и перевода органических молекул в углерод проводят карбонизацию, которая заключается в пиролизе аэрогеля при 500–2500°C в инертной атмосфере (N2, Ar). Разложение органических молекул сопровождается выделением газов, которые оставляют после себя пористую углеродную трёхмерную структуру. На данном этапе можно контролировать количество и конфигурацию микропор, в то время как мезопористая и макропористая структура аэрогеля закладывается на первых двух этапах получения. После 2000°C происходит графитизация материала, что позволяет получать аэрогели с высокой электропроводностью. После карбонизации проводят химическую или физическую активацию углеродного аэрогеля с применением воды, гидроксида калия, углекислого газа и др. С помощью различных условий активации можно регулировать площадь поверхности, объём пор и распределение пор по размерам.
В качестве прекурсоров для получения углеродного аэрогеля используют графен, углеродные нанотрубки и т. д. или биомассу. При использовании биомассы пропускают стадию полимеризации, а при использовании графена, углеродных нанотрубок и т. д. пропускают стадию карбонизации.
Свойства
Благодаря высокой пористости углеродных аэрогелей они проявляют такие свойства, как сверхнизкая плотность (порядка 0,003 г/см3), низкая теплопроводность, звуковая изоляция и высокая удельная поверхность (400–1000 м2/г). В отличие от традиционных аэрогелей из кремнезёма углеродные аэрогели могут обладать хорошей электропроводностью, что открывает новые пути для создания электрохимических конденсаторов с высокой удельной мощностью. Углеродные аэрогели хорошо поглощают свет в диапазоне от 250 нм до 14,3 мкм, отражая только 0,3% падающего света, что делает их перспективными для использования в солнечных коллекторах. Углеродные аэрогели используются в катализе, электронике, энергетике и т. д.