浙江大學Adv. Mater.：“濕紡”法制備具有組合效應的超彈性石墨烯氣凝膠球

Andy 6年前 (2017-07-25) 33447瀏覽

【引言】

石墨烯是被譽為“黑金”的新材料，由于其優異的性能因而被廣泛地研究和應用。石墨烯氣凝膠因其超低的密度，高彈性和高比表面積，備受研究者的青睞。它在很多領域表現出超強的“本領”，例如：儲能器件、高性能壓力傳感器、污染物的吸附、隔熱或隔聲材料以及電磁波屏蔽/吸波材料。在過去幾年中，出現了各種形態的石墨烯氣凝膠，包括纖維、薄膜、柱體和球體。常規石墨烯氣凝膠的制備方法包括模板法、化學氣相沉積和真空冷凍干燥法。然而，這些方法設備依賴性強，且制備得到的塊體氣凝膠往往難以匹配具有復雜結構的腔體。針對以上兩個問題，本文借鑒濕法紡絲技術，通過常壓干燥手段，制備了具有高彈性的石墨烯氣凝膠毫米球。

【成果簡介】

近期，浙江大學高微微、高超（通訊作者）等人在Adv. Mater.上發表了題為 “Wet-Spun Superelastic Graphene Aerogel Millispheres with Group Effect”的論文。研究人員提出“濕紡”的方法，制得了具有團體組合效應和多功能的毫米級石墨烯氣凝膠球(GSs)。想必大家都見過或吃過荔枝或者龍眼，本文受水果的特殊結構啟發，制備得到了具有獨特核殼結構的GS材料，同時具有優異的彈性和強度。更有意思的是，在水平和垂直方向上，毫米球組合體表現出與單個球相當的回彈性能，這也為該材料在壓力回彈和吸附方向的應用開拓了道路。同時，該材料能夠通過靜電力的作用在水面上高速移動，為其在污染物處理方向的應用提供了新思路。

【圖文導讀】

圖1 GSs材料的制備過程示意圖

(a), (b) 分別為GO水凝膠球濕紡法制備過程的示意圖和數碼照片；

(c-e) 由GO水凝膠球制備石墨烯氣凝膠球的過程圖示說明；

(f) GO水凝膠球；

(g) 采用抗壞血酸鈉還原的GO氣凝膠球；

(h) 2500℃退火處理后的石墨烯氣凝膠球，其中插圖為單個石墨烯氣凝膠球的照片。

圖2 材料形貌和結構表征

(a)(b) 具有核殼結構的還原GO球(RGOS)橫切面的SEM圖，插圖展現了橫切面的多孔結構，RGOS具有蜂窩狀的結構，其孔徑為50-100 μm，并具有褶皺表面的薄殼；

(e) (f) RGOS孔壁；

(g) 2500℃退火處理后的孔壁；

(h) RGOS和GS在熱處理前后的Raman表征；

(i) RGOS和GS在熱處理前后的XRD表征。

圖3 材料機械性能測試

(a)(b) RGOS和GS在不同應力下循環對比測試的應力應變曲線，GS經2500℃退火處理后在95%的應變下表現出應力和能量耗散的相對減少，但無不可逆形變；

(d) GS在壓縮之前的SEM圖；

(e) 77%應變的GS的SEM圖；

(f) 壓力釋放后的GS的SEM圖；

(g)和(i) 分別是(d)和(f)方框區域的放大圖；

(h) 在壓縮情況下GS的表面形貌的SEM圖。

圖4 超彈性GS的團體效應

(a) GSs水平組合體的壓縮回彈照片；

(b) (c) 70%應變1000次循環下GSs水平組合體的回彈性疲勞測試， GSs組合體能夠完全回復到初始的形態，而沒有明顯的結構坍塌和表面裂痕；

(e) (f) 70%應變1000次循環下GSs垂直組合體的疲勞測試，在垂直方向的壓縮行為進一步證明了GSs組合體效應，表現出優異的循環穩定性。

圖5 GS的靜電力操縱和油吸附測試

(a)(b) 靜電力操縱GS在水面上移動的數碼照片。對于2mm的操作距離內，GS可跟著帶有靜電的玻璃棒并保持高速的往復運動，速度可達150 mm s^-1；

(d) (e) 靜電操控GSs的組合體，它們可以同時在任意的方向上保持運動，表現出獨特的組合效應；

(f) GSs在水面上吸附油，表現出快速吸附能力并具有高容量，可達自身重量的110倍，同時GSs在吸附油之后仍可以在靜電電荷操縱下快速移動。

圖6 GSs材料的多功能性和應用

(a) GSs油吸附和脫附的數碼照片；

(b) GSs對于各種有機溶劑的吸附容量，GSs表現出快速的吸附能力和高的容量；

(d) (e) 石墨烯球在Al離子電池中作為正極的電化學性能；

(d) 在電流密度為5和2.5 Ag^-1時的恒流充放電曲線；

(e) Al/GS電池在5和2.5 Ag^-1時的循環穩定性。

【小結】

本文采用了濕紡自組裝的方法制備了GO水凝膠球，并通過還原和適當壓力下干燥的方法得到了具有超彈性的石墨烯氣凝膠球。該氣凝膠球具有獨特的核殼結構，表現出優異的彈性和強度。更為重要的是，GSs在水平和垂直方向上表現出組合效應，具有與單個球相當的超彈性能。另外，該材料具有多功能，可通過靜電電荷操縱，具有快速和高容量的吸附油和有機溶劑的能力，更進一步該材料能夠在電池電極材料和應力傳感器領域得到應用。

通訊作者簡介：高微微博士，浙江大學高分子科學與工程學系講師。2012年7月于中國科學院物理研究所獲得博士學位。2012年9月至2016年2月在美國加州大學伯克利分校/勞倫斯伯克利國家實驗室做博士后研究。2016年3月加入浙江大學高分子科學與工程學系納米高分子團隊，主要研究方向為石墨烯氣凝膠材料的組裝及其功能化。

高超教授，浙江大學求是特聘教授、博士生導師、高分子科學研究所所長，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家杰出青年基金獲得者。主要圍繞石墨烯化學、液晶及宏觀組裝開展研究，在Nature Communications, Advanced Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等期刊發表通訊作者和第一作者論文150余篇，文章共被他引9000多次，H因子50。共同主編Wiley出版的英文專著1本《Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, and Applications》，為英文專著撰寫6章。研究成果石墨烯纖維入選Nature 2011年度圖片，超輕氣凝膠入選2013年中國十大科技進展新聞。主要成果有： (1)發現了氧化石墨烯液晶及二維膠粒的手性液晶相，提出并實現了連續石墨烯纖維；(2)實現了高性能柔性石墨烯纖維超級電容器和石墨烯基納濾膜；(3)發明了連續組裝薄膜、石墨烯纖維無紡布及超輕彈性氣凝膠等多維度宏觀石墨烯材料；(4)提出“大片微褶皺”思路，解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的難題，獲得了高導熱超柔性石墨烯組裝膜。

文獻鏈接: Wet-Spun Superelastic Graphene Aerogel Millispheres with Group Effect?(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701482)

本文由材料人編輯部高分子組點點編譯，材料牛編輯整理。

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