Hierarchically Porous Graphitic Aerogels via Thermal Morphogenesis of Proteins for Environmental Remediation

环境修复 多孔介质 多孔性 热的 材料科学 形态发生 化学工程 纳米技术 化学 生态学 复合材料 生物 工程类 污染 物理 气象学 基因 生物化学
作者
M. Shaharyar Wani,Bridget R. Denzer,Nicholas J. Caggiano,Robert K. Prud’homme,Craig B. Arnold
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (16): 8464-8472 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsanm.5c01156
摘要

Hierarchically porous monolithic graphitic sheet-based aerogels (HGA) with high surface area and ultralow density have drawn massive attention for applications in catalysis, energy storage/conversion, water purification, and beyond. However, syntheses of these materials rely on harsh and nonsustainable chemical reagents and/or template-based methods, while the resulting structures generally lack covalent integration, compromising their properties. Herein, we demonstrate a self-foaming mechanism for green and scalable synthesis of HGA using protein precursors. Rather than creating a solid composite and exchanging the sacrificial component with a gas phase, we create a gas phase first and then convert the liquid into a solid phase. The controlled heating of protein induces intrinsic foaming via softening, gas evolution, and carbonization/graphitization, resulting in an HGA composed of a sheet and fiber-like framework. Our investigation of processing-structure–property relationships elucidates the interplay between synthesis variables and aerogel structure/properties, enabling deliberate control over microstructural features. Notably, we demonstrate more than an order-of-magnitude variation in density and over a 7-fold increase in compressive strength by controlling the synthesis protocol. This study opens doors to a green and scalable approach to synthesizing HGAs with customizable microstructures and properties, making them promising for a broad spectrum of applications such as environmental remediation and energy storage.

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