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像“砌牆”一樣規模組裝石墨烯氣凝膠!

衆所周知,将磚塊壘砌可以成牆,進而建造成各式各樣的建築。如今,石墨烯氣凝膠也可以像“砌牆”一樣進行宏觀組裝了。石墨烯氣凝膠是由二維石墨烯構成的一種超輕泡沫材料,具有超高的孔隙率和優異的壓縮回彈性,可導電、吸音、耐高低溫、阻燃隔熱,在能源、環境、催化、傳感等領域具有巨大的應用前景。

最近,曲良體課題組發明了一種氣泡-冰晶雙模闆輔助溶膠-凝膠法,成功制備了一種具有優異塑性變形能力的石墨烯水凝膠,并且該水凝膠可以常壓幹燥得到氣凝膠。研究者發現,将多個這種水凝膠“磚”在濕态下壓縮組裝,彼此間緊密排列,自然晾幹後即可得到一體化的石墨烯氣凝膠“牆”甚至“房子”,不會變形收縮。并且,通過增大壓縮程度,可以顯著提高該材料的極限壓縮強度,最高可達47Mpa,而壓縮回彈性幾乎不會損失,可恢複應變高達97%,解決了高強度和超彈性不能兼備的問題。該方法具有很高的靈活性,通過控制壓縮程度即可調控氣凝膠材料的多種性質,解決了該材料難以大面積制備的關鍵問題,有望實現石墨烯氣凝膠在建築、交通工具、航空航天等領域的廣泛應用。該工作以題為“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infnite Macroscale”發表在國際重要期刊《Advanced Functional Materials》上,第一作者為北京理工大學博士研究生楊洪生。


圖b 為石墨烯水凝膠“磚”壓縮組裝、常壓幹燥制備氣凝膠“牆”的過程。圖e 為搭建的一體化石墨烯氣凝膠“房子”。


圖c 為超彈性、可常壓幹燥石墨烯水凝膠的制備過程及原理。圖d-f 為該水凝膠壓縮前後的宏觀照片及微觀結構。

如上圖c所示,氧化石墨烯溶液中加入表面活性劑快速攪拌,引入了大量的微米氣泡,促使氧化石墨烯以該氣泡為模闆進行自組裝,獲得了各向同性的類球形大尺寸泡孔;再通過引入一步冷凍-融化過程,利用冰晶對閉合的泡孔進行打洞,使形成相互連通的孔道,有利于内部的氣泡和溶液擠出,如上圖e;最終得到了各向同性且相互連通的大尺寸泡孔結構,如上圖d。正是這種精心設計的微觀結構賦予了該水凝膠優異的塑性變形能力和可常壓幹燥能力。


圖a揭示了組裝過程中水凝膠之間界面的演變過程。圖b為組裝氣凝膠界面的掃描電鏡照片。

如上圖所示,研究者發現,通過壓縮可以使水凝膠之間的界面變得緊密,并且常壓幹燥過程中,毛細收縮力會進一步壓緊界面,使石墨烯片層之間緊密排列,産生了較強的π-π相互作用,氣凝膠之間形成很強的結合力,成為了一個整體。


圖a 表明阻燃劑改性的組裝氣凝膠具有優異的阻燃隔熱能力,可以保護紙飛機不燃燒達10分鐘。圖c,圖d表明了組裝氣凝膠具有很好的回彈性和強度。


圖a-i表明通過控制壓縮程度,即可在較寬的範圍内相對精确地調控氣凝膠材料的多種性質,包括壓縮強度、平均孔徑、材料密度及導電性。

該組裝氣凝膠具有突出的阻燃隔熱能力,優異的壓縮回彈性,可控的壓縮強度、密度、導電性。該工作最大的意義是,使多功能的石墨烯氣凝膠具有了不限的宏觀尺寸、多樣的宏觀結構、豐富的性能選擇,并且方法簡單、高效,有望實現石墨烯氣凝膠材料的大規模應用。

參考文獻:

Yang,H.; Li, Z.; Sun, G.; Jin, X.; Lu, B.; Zhang, P.; Lin, T.; Qu, L., Adv. Funct.Mater. 2019, 1901917.

本文來自高分子科學前沿,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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