Structural Formation and Pore Control of Freeze-Cast Directional Graphene Aerogel (DGA)

材料科学 石墨烯 冰晶 气凝胶 电解质 层状结构 多孔介质 氧化物 纳米技术 化学工程 复合材料 多孔性 电极 气象学 化学 物理 物理化学 工程类 冶金
作者
Mian Umar Saeed,Yu-Kai Weng,Mohammad Bahzad,Seungha Shin,Doug Aaron,Kenneth D. Kihm
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (1): 425-434 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsami.3c10998
摘要

Directional graphene aerogels (DGAs) are proposed as electrode materials to alleviate ionic and mass transport issues in organic redox flow batteries (ORFBs). DGAs with high pore directionality would provide low resistance channels for effective ionic charge and liquid electrolyte transport in these devices. DGAs' porous and directional characteristics can be controlled by the growth of ice crystals during freeze casting, which is influenced by the self-diffusivity of water, phase change driving forces, water–ice graphene interactions, and convection in the water–graphene media. It is found that mass transport-related properties of DGAs, including pore size and directionality, show a significant dependence on freezing temperature, graphene oxide (GO) loadings, and synthesis vessel diameter-to-height ratio (D/H). For the freezing temperature change from −20 to −115 °C, the average pore size progressively decreased from 120 to 20 μm, and the pore directionality transitioned from lamellar to ill-defined structures. When GO loadings were increased from 2 to 10 mg/mL at a fixed freezing temperature, pore size reduction was observed with less defined directionality. Furthermore, the pore directionality diminished with an increased width-to-height aspect ratio of DGA samples due to the buoyancy-driven convective circulation, which interfered with the directional ice/pore growth. Understanding the comprehensive effects of these mechanisms enables the controlled growth of ice crystals, leading to graphene aerogels with highly directional microstructures.
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