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Jun 19, 2023

Spazzini di schiuma di grafene bianco 3D: vescicante

NPG Asia Materials volume 7,

NPG Asia Materials volume 7, pagina e168 (2015) Citare questo articolo

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Nanostrutture tridimensionali (3D) assemblate con cristalli bidimensionali (2D) ultrasottili a uno o pochi strati hanno suscitato grande interesse per le applicazioni energetiche e ambientali. Qui, introduciamo un processo di schiumatura di gas in un materiale ceramico di nitruro di boro esagonale (h-BN) per fabbricare schiume 3D di grafene bianco (WG) senza utilizzare catalizzatori o modelli per applicazioni di rimozione di sostanze inquinanti superpotenti. È importante sottolineare che l'introduzione di vescicanti ha garantito la riproducibilità e la resa (>500 cm3). È interessante notare che queste schiume WG 3D possedevano una struttura vescicolare con pori gerarchici che vanno da scale da nm a μm e con pareti ultrasottili costituite da membrane BN mono o pochi strati con dimensioni planari grandi fino a 100 μm. Di conseguenza, i meriti della microstruttura dei pori gerarchici e delle pareti ultrasottili hanno conferito loro non solo una densità molto bassa (2,1 mg cm−3) ma anche una capacità di adsorbimento estremamente forte, illustrata da capacità fino a 190 volte il proprio peso verso un'ampia gamma di contaminazioni ambientali, tra cui vari oli e coloranti. Pertanto, le schiume 3D h-BN WG preparate mediante schiumatura assistita da vescicanti dovrebbero avere un grande potenziale come eccezionali spazzini ambientali.

Cristalli bidimensionali (2D), come il grafene1 e il grafene bianco (WG, nitruro di boro esagonale monostrato o a pochi strati (h-BN)),2, 3 hanno suscitato grande interesse a causa delle loro straordinarie proprietà intrinseche e dell'ampia gamma di proprietà applicazioni in elettronica, optoelettronica, stoccaggio di energia e ambiente.4 Tuttavia, per alcune applicazioni specifiche, come l'assorbimento di vari contaminanti e come elettrodi nelle celle elettrochimiche, è stato riconosciuto che le loro strutture 2D piatte incontaminate non soddisfano pienamente i requisiti pratici. 5, 6, 7, 8 Al contrario, le architetture tridimensionali (3D) che utilizzano cristalli 2D come elementi costitutivi possono fornire simultaneamente le virtù delle strutture 2D e 3D, come fogli ultrasottili e ampie aree superficiali specifiche da fogli 2D6 e pori gerarchici e densità ultraleggere da configurazioni 3D.7 Recentemente, è stato dimostrato che tali nuove caratteristiche strutturali 2D-3D mostrano prestazioni nuove ed eccezionali. Ad esempio, le strutture 3D di nanotubi di grafene-carbonio avevano densità fino a 0,16 mg cm−3, addirittura più leggere dell'aria (1,29 mg cm−3);9 le reti 3D di grafene e BN mostravano eccellenti proprietà meccaniche;10, 11 Reti ibride 3D BNC ha mostrato proprietà elettroniche e termiche sintonizzabili.12

Tuttavia, la fabbricazione ad alto rendimento di tali architetture 3D di cristalli 2D, soprattutto senza l’utilizzo di modelli o catalizzatori, rimane una grande sfida. Attualmente esistono due metodi per fabbricare le schiume 3D WG. Il primo metodo prevede l'assemblaggio di fogli 2D preparati chimicamente in strutture 3D.5, 6, 7, 8, 9 Chiaramente, la resa è limitata dai cristalli 2D primordiali e dal processo di assemblaggio. Ancora più importante, le connessioni artificiali e scadenti tra i cristalli 2D di solito degradano il trasporto elettrico e termico all'interno di tali strutture 3D.13, 14, 15, 16 Per ottenere reti 3D naturalmente integrate, è stato recentemente sviluppato un secondo metodo.17 Chen et al. 10 hanno riportato la crescita della deposizione chimica da vapore di strutture 3D di grafene poroso con schiuma di nichel come catalizzatore e modello 3D. Questo approccio di deposizione chimica da vapore può fornire elevate proprietà meccaniche ed elettriche e quindi ha suscitato molto interesse nei dispositivi energetici.11, 12, 17 Tuttavia, la resa e il costo sono limitati dall'uso di schiume di Ni. Secondo lo stato attuale in questo campo, la realizzazione di connessioni naturali e ad alto rendimento farà avanzare notevolmente le schiume 3D WG. Tuttavia, è ancora assente un metodo semplice e ad alto rendimento senza l'uso di catalizzatori o modelli. È importante sottolineare che l'introduzione di vescicanti garantisce la riproducibilità e la resa (>500 cm3).