气凝胶常见的表征方法
The following article is from 硕博测试圈 Author 初夏
■ 信息来源:硕博测试圈
气凝胶(Aerogel )是指通过溶胶凝胶法,用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。气凝胶具有高孔隙度、高比表面积、低密度、优异的吸附性能和热稳定性等特点,因此在催化、吸附、分离、传感等领域有着广泛的应用。气凝胶种类有很多,有硅气凝胶,碳气凝胶,硫气凝胶,金属气凝胶,氧化物气凝胶等。由于气凝胶在热学、电学、光学、声学、吸附催化等方面均表现出优异的性能,在航空航天、建筑节能、化工工业、电子电工、生物医药等领域有着广阔的应用前景。气凝胶材料该如何表征呢?今天给大家介绍几种对气凝胶来说常见的表征方法。气凝胶常见的表征方法
1、扫描电子显微镜(SEM):通过分析不同烧结温度下产物的形貌和结构演变,探讨相关机理。图1a显示,MSC由直径为~5.3μm的三聚氰胺海绵骨架组成的多孔结构,涂上一层硅氧烷干凝胶层。在1000°C下,骨架收缩到3.5μm,并且硅氧烷仍然分布在骨架表面(图1b)。表明1000°C下,主要是骨架的碳化和收缩,没有碳热还原反应。在1200°C下烧结后,在骨架表面观察到孔隙,这与硅氧烷分解形成的气体有关(图1c)。对于SSAs-1300,发现了骨架结构,未观察到SiC纳米线(图1d)。在1350°C下,SiC纳米线簇分布在骨架上,但仍有大量骨架未被反应(图1e)。此外,可以观察到交错的纳米线的根附着在骨架的表面,表明SiC纳米线可以从骨架的表面成核并生长。说明在1350°C下,SiC纳米线可以在硅氧烷表面成核,但生长缓慢。高达1400°C时,SiC纳米线相互缠绕形成网络,表明SiC纳米线的生长和组装可以在1400°C下完成(图1f)。
对BN-Cu@I2和BN-Ag@I2进行热重分析,以进一步了解气凝胶对碘的吸附机理。在N2氛围下,速率为5°C/min,将气凝胶加热至900°C。图6a显示,测试后最终残留质量是原始BN-Cu气凝胶的1.617倍,Cu与碘的摩尔比估计为~1:1.73,表明解吸后气凝胶中仍有一些碘。TG曲线的一阶微分得到DTG曲线(图6b),表明碘解吸过程在103.1°C,134.5°C,262.6°C和278.4°C分四个步骤发生。对BN-Ag@I2,最终残余质量为BN-Ag初始质量的1.397倍(图6c)。DTG曲线显示,解吸过程在131.5°C,147°C,256.7°C和273.4°C分为四个步骤(图6d)。
图8a-c显示了具有不同AgNW含量AgNWs/CoNi@C/ACA的3D RL值,覆盖2-18GHz。其中,在厚度为4mm,宽EAB为3.16GHz时,5AgNWs/CoNi@C/ACA的最小RL值(RLmin)为-51.6 dB。3AgNWs/CoNi@C/ACA和7AgNWs/CoNi@C/ACA的RLmin分别为-27.7dB 和-2.1dB。可以看出,随着AgNW含量的增加,样品的EWA性能显著提高。这是由于AgNWs的高电导率,它不仅与CoNi@C形成了良好的电磁协同作用,而且还为复合气凝胶内部带来了丰富的活性位点。然而,AgNW含量过高可能会过度增加样品的介电常数,导致材料内部阻抗匹配的不平衡。另一方面,会加深样品内部的结构坍塌程度,降低消散入射EWs的能力。特别地,通过PDMS真空浸渍后,5AgNWs/CoNi@C/AC/PDMS仍然表现出的有效RLmin值 (13.4dB),这为后续复合气凝胶弹性体的多功能应用提供了重要参考。
10、电化学测试:
如图10a所示,可以明显观察到三个峰,两个氧化峰位于0.33V和0.49V附近, 一个还原峰位于0.2v左右,氧化峰对应于活性材料的脱锂,还原峰对应于锂化过程,即形成非晶LixSi。值得注意的是,随着扫描的进行,峰面积逐渐增加,表明电化学反应动力学得到改善。此外,第4次和第5次循环的CV曲线几乎重叠,证实了极好的可逆性。图10b显示了Si@DGA和电池循环后纯Si的阻抗曲线都由一个半圆和一条直线组成,Si@DGA比纯硅小得多,纯硅得益于石墨烯气凝胶的多孔结构。图10c显示Si@DGA在Li+扩散方面表现得比纯Si好得多。为了阐明显著的循环性能,在不同扫描速率0.2-1.2mV·s-1下的CV曲线以揭示动力学,如图10d所示。随着扫描速率的增加,在0.39和0.2V的峰由于极化的增加而逐渐消失。氧化峰的拟合b值为0.62,还原峰的拟合b值为0.55(图10g),表明Li+储存是一个混合过程,提供了快速的Li+反应动力学。当扫描速率为0.1mV·s-1时,扩散起着重要作用,随着扫描速率的增加,伪电容容量逐渐上升,并在0.8mV·s-1时占主导地位。Si@DGA的贡献率在1.2mV·s-1时达到74.5%(图10e和f)。为了进一步研究Si@DGA的扩散行为,进行了GITT测试(图10h),脉冲时间为20min,松弛时间为30min。结果表明,Si@DGA的DLi+值大部分位于10-7-10-8.5(图10i),log(DLi+)曲线在充放电状态下表现出典型的“W”型。DLi+越高,表示Si@DGA更适合Li+的快速传输,证实了其优越的速率性能。[1] Mingyuan Y, Xudong C, Lunlun G, et al. Growth mechanism and structure regulation of super-elastic SiC aerogels for thermal insulation and electromagnetic wave absorption[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 475.
[2] Xiaodong W, Yu X, Xiaodong S, et al. New insight into efficient photocatalytic CO2 reduction without any sacrifice agent over the novel hierarchical structured SiOC whisker aerogel[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 961.
[3] Xinkai L, Kang J, Shaohua P, et al. Facile preparation of graphene oxide-based composite aerogel to efficiently adsorb methylene blue[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2024, 681.
[4] Gen L, Jianli L, Jing L, et al. Boron nitride aerogels incorporated with metal nanoparticles: Multifunctional platforms for iodine capture and detection[J]. Journal of hazardous materials, 2023, 460132481-132481.
[5] Xin L, Zhendong H, Bowen D, et al. Recycling polycarbonate wastes to prepare hydrophobic and super mechanically robust aerogels with excellent oil–water and emulsion separation performance[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 476.
[6] Gen L, Jianli L, Jing L, et al. Boron nitride aerogels incorporated with metal nanoparticles: Multifunctional platforms for iodine capture and detection[J]. Journal of hazardous materials, 2023, 460132481-132481.
[7] Rushikesh P. Dhavale, Vinayak G. Parale, Haryeong Choi, Taehee Kim, Kyu-Yeon Lee, Varsha D. Phadtare, Hyung-Ho Park. Epoxy-thiol crosslinking for enhanced mechanical strength in silica aerogels and highly efficient dye adsorption[J]. Applied Surface Science, 2024, 642.
[8] Yiming C, Weiwei H, Hanlin Z, et al. Compressible and conductive multi-scale composite aerogel elastomers for electromagnetic wave absorption, energy harvesting, and piezoresistive sensing[J]. Nano Energy, 2024, 119.
[9] Zheng M, Zhiming D, Xinfeng Z, et al. Multifunctional and magnetic MXene composite aerogels for electromagnetic interference shielding with low reflectivity[J]. Carbon, 2023, 213.
[10] Zikang Y, Xue L, Fan R, et al. Multi-layer wrapping functionalized silicon via graphene aerogels regenerated from spent graphite anode achieves high efficient lithium storage[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 969.
[11] Xin Y, Yang H, Xinqi L, et al. Microwave-assisted construction of MXene/MOF aerogel via N-metal bonds for efficient photodegradation of vapor acetone under high humidity[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 476.
往期推荐