ACS Appl. Mater. Interfaces 青島科大張建明教授團隊在規模化製備石墨烯氣凝膠取得重要進展

2021-01-20 化學科訊

石墨烯氣凝膠是由二維石墨烯納米片組裝搭接而成的三維多孔宏觀體材料，其具有極低的密度、超高的孔隙率、超高的壓縮回彈性、優異的環境穩定性等獨特性質，在快速環境修復、高效能量轉化、超靈敏傳感器、電磁屏蔽以及高效催化等領域擁有極大的應用潛力。目前，石墨烯氣凝膠的一個顯著缺點是柔韌性較差，彎曲時易破裂，嚴重製約了該材料的應用領域。

近期，青島科技大學高分子學院張建明教授團隊基於氣泡模板法，將天然膠乳粒子成功地複合到了氣凝膠的孔壁中，形成了仿玫瑰花表面的石墨烯孔壁結構，顯著增加了材料的韌性，同時維持了超低的密度（4.6 mg cm-3）。該材料的接觸角可達131.8°，可以粘附水滴，並且仿玫瑰花表面結構使得石墨烯璧更加粗糙，顯著提高了其光熱轉化能力，使得該材料在太陽能淨水領域具有重大的應用前景。相關工作以「Tough, Ultralight, and Water-Adhesive Graphene/Natural Rubber Latex Hybrid Aerogel with Sandwichlike Cell Wall and Biomimetic Rose-Petal-Like Surface」為題發表於國際重要期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，該論文以青島科技大學為唯一通訊單位，博士生張曉方為第一作者。

圖1大塊天然膠乳/石墨烯氣凝膠圖片，其類玫瑰花表面的微觀結構以及疏水但粘附水滴性能。加入天然膠乳之後其具有優異的抗衝擊、超聲破壞以及快速光熱轉化能力。

近幾年，青島科技大學高分子學院張建明教授團隊一直致力於石墨烯氣凝膠材料的製備和應用研究，並取得了一系列重要的進展。前期工作中，張建明教授團隊在國際上率先實現了石墨烯氣凝膠材料的常壓乾燥製備，並獲得了優異的材料性能（J. Mater. Chem. A, 2015, 19268-19272.）。該製備技術具有工藝簡單、設備要求低、能耗低、可大規模生產等突出的優點，為石墨烯氣凝膠的工業化生產奠定了重要基礎。基於此, 該團隊將ZIF-8通過浸泡方式負載到石墨烯氣凝膠孔壁上, 獲得了較高的比表面積，改雜化氣凝膠材料對CO2具有優異的吸附能力（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 827-834）。為了進一步推進石墨烯氣凝膠的規模化製備，得到機械性能優異且穩定的材料，該團隊將氣泡模板概念引入製備過程中，取得了重要的進展。該方法製備的石墨烯氣凝膠不僅擁有超低密度（2.2 mg/cm-3），超級壓縮回彈性（壓縮應變高達99%，回彈速率9464 mm min-1）以及耐疲勞性（~1000000次循環，5Hz，壓縮應變70%）等諸多優點，材料的機械性能更加穩定，並且有利於規模化製備（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 1303）。

圖2空氣泡模板結合常壓乾燥技術製備的具有各向同性孔結構的石墨烯氣凝膠，及其超輕、超可壓縮回彈及耐疲勞性能。

上述研究得到了國家自然科學基金以及山東省重點研發計劃的支持。

來源：青島科技大學

文章連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b18948




 《輝瑞總結的400多個藥物合成路線匯總》


 滿分推薦：化學科研必備app


相關焦點

  • 常溫發泡法連續製備石墨烯氣凝膠及其AI應用
    石墨烯氣凝膠（又名石墨烯泡沫、石墨烯海綿等等）是由二維石墨烯片組裝得到的一種超輕多孔材料，在智能傳感、能量儲存、吸附及隔熱隔聲等各領域展示了巨大的應用潛力。目前，無論是模板法或者「溶膠-凝膠」法等，所得到的石墨烯氣凝膠都是從石墨烯前驅體稀溶液而來，組裝結構機械穩定性差，難以經受複雜變形；同時，複雜的冷凍乾燥工藝限制了其大規模連續化與高精度微型化製備，不利於其規模化應用。
  • 暨南大學《 ACS Appl. Mater. Interfaces》:石墨烯氣凝膠微電機,用於主動運輸和微裝配
    尺寸可控制的還原氧化石墨烯氣凝膠微球（RGOAM），用作微電機無燃料光碟機動微電機因其具有可逆、無創、遠程操作等優點而受到越來越多的關注
  • 石墨烯氣凝膠獲得*輕材料金氏世界紀錄
    氣凝膠是一種用途廣泛的物質，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學絕緣體，據了解，近年來利用3D印表機就可以製造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關注度最高的一種，因為它可以應用在電子部件的電池和觸媒中。     3D列印石墨烯氣凝膠的正方形樣品非常輕便，可以掛在麥芒上而不會彎曲。
  • 3D列印新工藝 石墨烯氣凝膠更精細
    好消息是，維吉尼亞理工大學的研究人員們，已經展示了他們新開發的一種 3D 列印石墨烯氣凝膠方案，且其解析度遠高於此前的水準。通常情況下，石墨烯只需要以「單層厚度的碳原子片」的形式出現。儘管其在某些情況下得到了應用，但距離實際投入還很遙遠。
  • 復旦等製備出新型碳納米管/石墨烯氣凝膠!
    導讀：本文通過一種簡便的原位水熱法和冷凍乾燥方法，開發製備出一種新型的碳納米管/還原型氧化石墨烯氣凝膠吸波材料。該氣凝膠具有極低的密度，並在18–26.5 GHz頻率範圍內實現了極強的介電損耗能力。強吸收、寬吸收頻帶，輕薄的性能使得CNT/石墨烯氣凝膠在電磁波吸收材料中具有很好的應用前景。近年來，由於電子行業及無線電通信技術的飛速發展，電磁輻射對人體健康和環境的影響比以往增加了很多。為了減少電磁汙染，電磁波吸收材料受到越來越多的關注，這種材料可以通過它們的固有的磁性和介電損耗去衰減電磁能量將其轉化為熱能。
  • 超輕型雙網的組裝石墨烯氣凝膠及其在選擇性吸油中的應用
    、纖維素、木質素等添加劑，通常可以得到內部結構發達的高性能石墨烯氣凝膠，這不僅增加了成本，而且使製備過程複雜化。因此，以一種可行的方法來裁剪原始石墨烯氣凝膠的內部結構，以獲得高性能，對實際應用具有重要意義。
  • 深圳大學《ACS Appl. Mater. Interfaces》:氮摻雜超溼,隔熱和彈性石墨烯氣凝膠,可高效產生太陽能蒸汽
    Interfaces》期刊發表名為"Nitrogen-Doped Unusually Superwetting, Thermally Insulating, and Elastic Graphene Aerogel for Efficient Solar Steam Generation"論文，研究報告了氮摻雜石墨烯氣凝膠（NGA）的相反現象。
  • 走進石墨烯小世界之石墨烯氣凝膠
    但是，由於石墨烯片層間強的範德華力和π-π鍵作用力，使其容易發生不可逆堆疊和團聚，嚴重降低石墨烯本身的性質和有效面積，從而限制了其在某些方面的應用，而將石墨烯片作為基本的構築單元，通過鍵接連接在一起，構建三維宏觀體—石墨烯氣凝膠，是解決石墨烯片層堆疊問題的有效方法之一。
  • ACS Appl. Mater. Interfaces綜述:紙基氣體、溼度、應變傳感器研究進展
    值得一提的是，近年來用於監測人體和環境中氣體、溼度和應變的紙基傳感器受到了特別關注，並取得了諸多研究進展。然而，由於環境刺激的複雜性（氣體、溼度和應變往往共存和相互作用），以及紙張本身的親水性和柔性，高性能紙基氣體、溼度和應變傳感器的發展仍面臨許多挑戰。
  • 北京化工大學：基於3D石墨烯氣凝膠快速響應的壓阻傳感器
    石墨烯氣凝膠通常通過氧化石墨烯的還原與冷凍乾燥製備的但是，氧化石墨烯在製備過程中容易發生團聚，使得氣凝膠孔隙結構不穩定，在較大形變使用時容易發生坍塌，限制其在壓阻傳感器領域的應用。目前，通過控制石墨烯氣凝膠的孔隙結構、對石墨烯進行化學改性、引入納米材料等多種方法來提高石墨烯氣凝膠的傳感性能。此外，研究表明，不同納米材料的引入可協同提高石墨烯氣凝膠的感應性能和力學性能。因此，製備具有良好力學性能和傳感性能的石墨烯氣凝膠傳感器仍然是一個挑戰。
  • Nature子刊:石墨烯氣凝膠的終極光熱效應
    本文要點：證明石墨烯氣凝膠的最終光熱聲（PTA）效率，取決於它們的特定熱和光學性質，可以通過降低其質量密度來實驗性地實現。在這裡，我們證明了石墨烯氣凝膠的最終PTA效率，取決於它們的特定熱和光學性質，可以通過降低其質量密度來實驗性地實現。此外，我們說明氣凝膠在整個可聽範圍內表現為全向源點，沒有諧波失真。
  • 北京化工大學潘凱《AFM》：新型具有3D互連的分層微觀結構的納米纖維增強石墨烯氣凝膠
    氣凝膠。石墨烯氣凝膠通常通過氧化石墨烯的還原與冷凍乾燥製備的。但是，氧化石墨烯在製備過程中容易發生團聚，使得氣凝膠孔隙結構不穩定，在較大形變使用時容易發生坍塌，限制其在壓阻傳感器領域的應用。目前，通過控制石墨烯氣凝膠的孔隙結構、對石墨烯進行化學改性、引入納米材料等多種方法來提高石墨烯氣凝膠的傳感性能。
  • 碳化木棉纖維/氧化石墨烯氣凝膠的製備
    ，通過燃燒實現了碳化氣凝膠的回收1超級電容能量儲存設備現狀及缺點本文，湖北大學葉勇 教授團隊在《CHEMICAL ENGINEERING & TECHNOLOGY》期刊發表名為「Preparationof Carbonized Kapok Fiber/Reduced Graphene Oxide Aerogel for Oil‐Water Separation」的論文，研究基於木棉纖維（KFs）和氧化石墨烯（GO），通過水熱和碳化反應製備了碳化複合氣凝膠。
  • 科學家研發世界最輕的3D列印結構——石墨烯氣凝膠
    據了解，由法羅大學、堪薩斯州立大學和中國蘭州大學的三位研究員開發的3D列印石墨烯氣凝膠被金氏世界紀錄評為「最密集的3D列印結構」。3D列印石墨烯氣凝膠重量極輕，每立方釐米僅重0.5毫克，放在棉花或花瓣頂都可以，可以製造出就有複雜微觀結構的超輕石墨烯氣凝膠。
  • 《納米快報》高介孔碳/硫石墨烯氣凝膠,穩定鋰硫電池約束基質
    最近，喬治亞理工學院林志群教授團隊發表了Carbon/Sulfur Aerogel with Adequate Mesoporous Channels as Robust Polysulfide Confinement Matrix for Highly Stable Lithium–Sulfur Battery一文在《Nano Letters》上。
  • 北化工:3D石墨烯氣凝膠,用於壓阻傳感器的1D / 2D納米材料
    本文要點：一種新型的納米纖維增強石墨烯氣凝膠成果簡介 基於石墨烯的氣凝膠作為壓阻傳感器具有高的孔隙率然而，同時具有良好的機械性能和優異的感測性能的石墨烯氣凝膠傳感器的製造仍然是一個挑戰。本文，北京化工大學材料科學與工程學院潘凱研究員團隊在《Adv. Funct.
  • 湖北大學：碳化木棉纖維/氧化石墨烯氣凝膠的製備
    >成果簡介 本文，湖北大學葉勇 教授團隊在《CHEMICAL ENGINEERING & TECHNOLOGY》期刊發表名為「Preparation of Carbonized Kapok Fiber/Reduced Graphene Oxide Aerogel for Oil‐Water Separation
  • 石墨烯氣凝膠應用於高體積比能量鋰硫電池新進展—新聞—科學網
    中科院大連化物所
  • 北化：Na3V2O2(PO4)2F石墨烯氣凝膠用於鈉離子電池
    本文北京化工大學於中振教授、曲晉副教授團隊在《ACS Appl. Mater.Interfaces》期刊發表名為「Freestanding Na3V2O2(PO4)2F/Graphene Aerogels as High-Performance Cathodes of Sodium-Ion Full Batteries」的論文，研究提出通過採用簡單的水熱自組裝以及冷凍乾燥製備Na3V2O2(PO4)2F/石墨烯氣凝膠（NVPF/GA）直接用作自支撐鈉電正極材料的方法
  • 神奇的超輕超彈多孔氣凝膠材料——三維石墨烯
    將層狀石墨進行單層剝離可以得到厚度不到1 nm的二維石墨烯，它是所有sp2結構碳材料的最基本單元。優異柔韌性的石墨烯可以圍成零維結構的C60材料，又稱足球烯（1985年被Harold W. Kroto教授等人發現，於1996年獲得諾貝爾獎）；也可以捲曲成一維結構的碳納米管（1991年被日本科學家Sumio Iijima教授發現）。