معرفی آئروژلها؛ خواص و کاربرد
(قسمت سوم)
در مهندسی برق، کاتالیزورهای و حسگرها، موادی با مساحت سطح ویژه بالا نیاز است و در این زمینه‌ها آئروژل ها می توانند به خوبی نقش آفرینی کنند. آئروژل ها می توانند در کشاورزی و داروسازی عمل رهاسازی کنترل شده را انجام دهند. در بخش علوم فضایی به عنوان مثال در شناسایی گرد و غبار فضایی به کار برده می شوند. به دلیل قیمت پایین آئروژل ها، این مواد می توانند به عنوان پرکننده در محصولات متنوع در صنعت شیمیایی و داروسازی، جوهر تونر، مواد شوینده و مواد آرایشی استفاده شوند.
کاربرد کاتالیزوری آئروژل
اکسیدهایی که برای عملکردکاتالیزوری مناسب باشند، به فرم آئروژل می توانند سنتز شوند. آئروژل ها به صورت پودر،گرانول و ساختار مونولیت می توانند تهیه شوند. کاربرد کاتالیزوری این ترکیبات از سال 1974 مورد تحقیق و بررسی بوده است.
در واقع اتم های فلزات واسطه از قبیل Fe, Cu, Mo, V و فلزات نجیب Pt, Pd, Ir در بسیاری واکنش ها به عنوان کاتالیست استفاده می شوند. در مورد دسته اول آئروژل های اکسید فلزات در واکنش ها استفاده می شوند و در مورد دسته دوم آئروژل ها اکسید فلزی به عنوان بستر این فلزات به‌کار می‌روند. در همه این موارد مزیت مهم آئروژل ها که آنها را برای مصارف مناسب می سازد مساحت سطح بالای آنها است که باعث افزایش تعداد جایگاه های فعال (بر گرم) مواد می شود. به هر حال در مقایسه با زیروژل (Xyrogel) تجاری، آئروژلها برای این کاربردها مناسب تر هستند.
آئروژل ها در حفاظت محیط زیست نیز بکار برده می شوند، به این ترتیب که باعث کاهش پخش آلودگی های ناشی از گازهای خارج شده از اتومبیل ها می شود. این آلودگی ها اغلب منوکسید کربن، هیدروکربن های باقیمانده و اکسید نیتروژن هستند. برای سوخت کامل در اتومبیل ها نیاز به کاتالیست ها داریم، بنابراین بوسیله این کاتالیست ها انوع مهم از آلودگی‌ها حذف می شوند و فقط دی اکسید کربن، آب و نیتروزن در فضا آزاد می شوند. این عمل یعنی بهینه سازی سوخت با استفاده از کاتالیزور در مورد موتورهای دیزلی اهمیت بیشتری دارد.
در عمل کاتالیست ها باید در شرایط حرارت 900 تا 1200 درجه-سانتی گراد عمل کنند و بیشتر آئروژل ها در این شرایط مساحت سطح خود را از دست می دهند. دیگر واکنش های کاتالیستی شیمیایی که در حرارت های ملایم انجام می شوند را می توان با پیوند زدن کمپلکس های آلی-فلزی (Organometallic Complexes) به جداره داخلی آئروژل ها انجام داد.
شاید بهترین نتایج در این مورد، کاتالیست های‌زیستی بدست آمده از قرار‌دادن آنزیم ها در سیلیکا آئروژل است.
كاربردهاى الكتریكى و الكترونیكى
آئروژل های کربنی گزینه مناسبی جهت استفاده در ساختار الكترودهاى باتری ها و حسگر خازنها هستند زیرا مقاومت الكتریكى پائینى از خود نشان می دهند. بالا بودن مساحت سطح در واحد حجم آئروژلها باعث می شود تا بار الكتریكى بیشترى ذخیره شود و این عملكرد براى حسگرهاى خازن بسیار مناسب است. آئروژلهاى آلى و آئروژلهاى از نوع اكسید فلزى مواد بسیار مناسبى براى كاربردهاى دی الكتریك پائین هستند و می توان از آنها در تهیه عایق هاى ولتاژ بالا استفاده نمود. فیلم هاى آئروژل نیز براى ساخت میكروالكترونیك ها مناسب هستند. خاصیت دی الكتریك پائین آئروژلها باعث بالا رفتن سرعت مدارهاى الكتریكى می شود و همچنین ثابت دی الكتریك آئروژلها قابل كنترل است. زیرا با كنترل درجه تخلخل و چگالى این مواد می توان ثابت دی الكتریك را نیز به دلخواه تغییر داد.
حال کاربرد الکتریکی آئروژل در باتری و الکترود خازن و مواد دی الکتریک بررسی می کنیم.
باتری: مشکل شیمیایی در این بخش، توانایی جای دادن یون ها بصورت برگشت پذیر در شبکه آئروژل است. به‌دلیل تخلخل بالای اکسید آئروژل ها، بسیاری از یون های کوچک را می توان در شبکه آن جا داد. علاوه براین، این دسته از آئروژل ها عایق های حرارتی خوبی هستند که می توانند در باتری های الکتریکی با حرارت بالا استفاده شوند. بیشتر این آئروژل های مطالعه شده از جنس وانادیم اکسید، منگنز اکسید، مولیبدن اکسید هستند که یون های لیتیم در آنها جای داده شده است.
آئروژل V2O5 ماده بی شکل است که شبکه جامد بسیار بهم پیوسته ای دارد و مساحت سطح آن بالاتر از 450 مترمربع بر گرم و حجم ویژه سوراخ ها به بزرگی 2.3 سانتی متر مکعب بر گرم است. بیشتر از 5.8 اکی والان لیتیم بر مول آئروژل بوسیله روش های الکتروشیمیایی می تواند جایگزین شود. این مواد بخاطر ظرفیت بالایی که دارند در الکترودهای مثبت با انرژی بالا در باتری های لیتیم کاربرد دارند.
الکترود خازن : آئروژل ها به عنوان الکترود دولایه های (Double Layer) در ابر خازن ها کاربرد دارند. آنها مقاومت الکتریکی کمی دارند. ظرفیت ویژه کربن آئروژل های مشتق شده از آئروژل های آلی رزورسینول-فرمالدهید حدود 45 فاراد بر گرم در الکترولیت آبی است.
مشکل شیمیایی در اینجا قرار دادن برگشت پذیر مقدار زیادی از حامل های بار الکتریکی در شبکه آئروژل است. به هرحال آئروژل خودش باید الکتریسته را هدایت کند. قابل توجه است که این خواص بیشتر در مورد کربن آئروژل مطالعه شده است. کربن آئروژل های بدست آمده از گرماکافت (Pyrolysis) آئروژل های پلی-اکریلونیتریل می توانند به ظرفیت ویژه ای حدود 130 فاراد بر گرم در محلول آبی پتاسیم هیدروکسید 5 مولار برسد.
مواد دی الکتریک (Dielectric Materials): فیلم نازک سیلیکا آئروژل ها به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک بسیار کم شناخته شده اند که کاربرد آن در مدارهای مجتمع (Integrated Circuit) است. این فیلم ها برای مثال می توانند از محلول بازی تترامتوکسی سیلان مخلوط شده با دی متیل سولفوکسید ساخته شوند و بعد از پوشش بوسیله CO2 بصورت فوق بحرانی خشک می شوند. ثابت دی الکتریک مربوط حدود 1.1 بدست می آید. خواص دی الکتریک آئروژل های آلی در بخش خازنی فیلترها قابل استفاده است.
ادامه دارد...
مریم نایب زاده
بخش دانش و زندگی تبیان
منبع: edu.nano- aerogel- aerogeltechnologies-nano -gizmag
مقاله آئروژل ها و کاربرد آن درحوزه های مختلف-مرتضی سلطان دهقان
نرم افزار nanopolis
کتاب آشنایی با فناوری نانو(2)-سلیمی،طاهری،احمدوند
