Углеродная нанопена
Углеро́дная нанопе́на, аллотропная модификация углерода, состоящая из кластеров углерода, соединённых в слабо упорядоченную трёхмерную сетку.
Свойства
Структура углеродной нанопены близка к фрактальной и состоит из sp2 -гибридизованных графитоподобных кластеров, соединённых sp3 -связями. Большинство sp3 -связей в углеродной нанопене находятся на поверхности материала и составляют 15–45% от его объёма, что делает её похожей на алмазоподобный углерод. Углеродная нанопена обладает высокой удельной поверхностью – 300–400 м2 /г и очень низкой плотностью – 2–10∙10-3 г/см3 , схожей с плотностью углеродных аэрогелей. В отличие от углеродных аэрогелей углеродная нанопена плохо проводит электричество из-за большого количества неспаренных электронов. Данный факт также является причиной того, что углеродная нанопена притягивается к магнитам, а при температуре ниже –183 °C становится ферромагнетиком с узкой петлёй гистерезиса. Магнитный момент углеродной нанопены изменяется с течением времени – максимальное значение наблюдается в первые 2 часа после её получения. Углеродная нанопена является единственной модификацией углерода, обладающей ферромагнитными свойствами.
Получение
Углеродная нанопена впервые была получена А. Роде и коллегами путём абляции углеродсодержащего сырья высокочастотным лазером в среде аргона при низком вакууме. В литературе описаны и другие методы получения – гидротермальная карбонизация сахарозы (Fundamental properties of high-quality carbon nanofoam... 2016. P. 2065–2073), темплатный синтез (García‐Martínez. 2008. P. 288–292) и др.
Применение
Углеродная нанопена, а также композитные материалы на её основе являются перспективными материалами для анодов натрий-ионных аккумуляторных батарей, могут применяться в качестве эффективных фотокатализаторов для получения водорода под действием видимого света.
За счёт своих уникальных свойств углеродная нанопена может использоваться для хранения водорода в топливных ячейках, в спинтронике и электронике, в медицине (магнитно-резонансная томография) и др.
Литература
- Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation / A. V. Rode, S. T. Hyde, E. G. Gamaly [et al.] // Applied Physics A Materials Science & Processing. – 1999. – Vol. 69, № 7. – P. 755–758.
- Carbon nanofoam as a potential hydrogen storage material / R. Blinc, D. Arčon, P. Umek [et al.] // Physica status solidi (b). – 2007. – Vol. 244, № 11. – P. 4308–4310.
- García-Martínez J. Synthesis and Catalytic Applications of Self-Assembled Carbon Nanofoams / J. García-Martínez, T. M. Lancaster, J. Y. Ying // Advanced materials. – 2008. – Vol. 20, № 2. – P. 288–292.
- Fundamental properties of high-quality carbon nanofoam: from low to high density / N. Frese, S. Taylor Mitchell, C. Neumann [et al.] // Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2016. – Vol. 7. – P. 2065–2073.
- Highly Conjugated Graphitic Carbon Nitride Nanofoam for Photocatalytic Hydrogen Evolution / Cheng Chuan-Qi, Feng Yi, Shi Zi-Zheng [et al.] // Langmuir. – 2022. – Vol. 38, № 4. – P. 1471–1478.
- Nitrogen-doped porous carbon nanofoams with enhanced electrochemical kinetics for superior sodium-ion capacitor / K. Ramachandran, Gokila Subburam, Xian-Hu Liu [et al.] // Rare Metals. – 2022. – Vol. 41. – P. 2481–2490.