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    曲良體教授團隊在規模化制備石墨烯氣凝膠方面取得新進展
    2020-05-09  來源:高分子科技
    關鍵詞:石墨烯 氣凝膠

      石墨烯氣凝膠是由單原子層的石墨烯片以特定的結構組裝而成的三維超輕多孔宏觀體材料。石墨烯獨特的二維結構賦予了該氣凝膠材料諸多優異的性質,例如超低的密度(<10 mgcm-3)、超高的孔隙率(>99%)、壓縮超彈性(應變可達99%)、突出的環境穩定性、優異的光熱轉換和電熱轉換能力、優異的吸波和吸聲性能、良好的導電性,使其在能源存儲和轉化、環境和傳感器等領域具有巨大的應用潛力。目前,石墨烯氣凝膠的制備還停留在實驗室研究階段,還不能進行工業化生產和廣泛應用。其中,一項重要的原因是缺少規模化的制備方法。


      近幾年,曲良體教授團隊在規模化制備高性能石墨烯氣凝膠方面取得了一系列重要的進展。為解決大尺度條件下混亂的氧化石墨烯液晶對于溶膠-凝膠過程的不良影響,該團隊在氧化石墨烯溶液中引入了大量的氣泡作為模板,重構其液晶相,制備得到了超大尺寸的石墨烯氣凝膠(約1 m2),如圖1所示。相關工作以題為“Reconstruction of Inherent Graphene Oxide Liquid Crystals for Large-Scale Fabrication of Structure-Intact Graphene Aerogel Bulk toward Practical Applications”發表在ACS Nano上。除此之外,他們發現該方法制備的石墨烯水凝膠具有非常好的壓縮塑性能力,并且可以在常壓環境下干燥。因此,研究者們建立了一種濕態壓縮的方法,將石墨烯水凝膠進行宏觀組裝,自然干燥后即可得到一體化的超彈石墨烯氣凝膠。有趣的是,研究者們利用該方法建造了一座石墨烯氣凝膠“房子”,如圖2所示。相關工作以題為“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infinite Macroscale”發表在Advanced Functional Materials上。


    圖1.氧化石墨烯液晶重構法制備結構完整的大尺寸石墨烯氣凝膠。


    圖2.濕壓法宏觀組裝超彈性石墨烯氣凝膠。


      近日,該團隊使用高濃度的發泡氧化石墨烯漿料,通過調控發泡倍率、干燥溫度、涂膜厚度等參數,抑制氣泡的奧斯瓦爾德熟化(Ostwald Ripening)進程,實現了開放環境下漿料直接干燥制備三維氧化石墨烯泡沫材料。如圖3所示,該方法具有明顯的優勢,可以在大多數固體表面原位地連續化大面積制備,并且得到的氧化石墨烯泡沫可以任意裁剪,通過簡單地加入濕氣即可組裝在一起,得到復雜的宏觀三維結構。阻燃改性的氧化石墨烯泡沫快速地火燃熱還原,幾秒鐘即可得到具有層級閉孔結構的石墨烯氣凝膠,如圖4所示,該材料具有高的比表面積(206.8 m2 g-1),良好的導電性(接近100 S m-1)和優異的壓縮回彈性(>1000次)。特別的是,層級閉孔三維石墨烯結構賦予該氣凝膠突出的隔熱阻燃能力,如圖5所示,與開孔結構的石墨烯氣凝膠相比,層級閉孔結構的氣凝膠表現出更好的耐火性質,可以有效地阻隔高溫強熱流。該工作使得多功能石墨烯氣凝膠材料可以像常用的塑料泡沫一樣被簡單地制備,有望實現工業化生產和廣泛地應用。


    圖3.開放環境下直接漿料干燥制備三維氧化石墨烯泡沫材料。


    圖4.阻燃改性氧化石墨烯泡沫快速火焰還原制備層級閉孔結構的石墨烯氣凝膠。


    圖5.層級閉孔結構石墨烯氣凝膠突出的阻燃和隔熱能力。


      相關成果以題為“Retarding Ostwald Ripening to Directly Cast 3D Porous Graphene Oxide Bulks at Open Ambient Conditions”發表在ACS Nano上,論文第一作者為北京理工大學在讀博士楊洪生同學,通訊作者為曲良體教授張志攀教授。合作單位包括北京理工大學、清華大學、意大利羅馬第一大學等。本項目得到了科技部重點研發計劃項目和國家自然科學基金等項目的支持。


      論文鏈接:

      https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06380

      https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201901917

      https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02379

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    (責任編輯:xu)
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