石墨烯氣凝膠
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
石墨烯氣凝膠的實例教程
，由于其具有出色的導電性能，石墨烯氣凝膠3D打印機還可以應用于制作受損的電生成組織替代物，例如神經，骨骼或骨骼和心肌，還可用于3D打印石墨烯電池，更有效的存儲能量。
石墨烯氣凝膠3D打印機的潛力巨大，而且石墨烯本身已對許多行業(yè)產生顯著影響。該團隊的鄭曉宇先生表示，工業(yè)設計師如今無需考慮石墨烯片構建三維結構的限制，石墨烯氣凝膠3D打印機可以達到極高的制造自由，輕松達成強度、電導率、質量傳遞和重量密度的優(yōu)化，3D打印機在這個過程中扮演者至關重要的角色。
具有低熱阻的碳基材料有利于冷卻電子設備，而具有高熱阻的氣凝膠則起到隔熱作用。然而，使用相同的材料實現(xiàn)熱傳導和隔熱是一項重大挑戰(zhàn)。近期，廈門大學張學驁教授、蔡偉偉教授、張宇鋒副教授研究采用溶劑熱法合成了石墨烯氣凝膠，高溫退火降低了石墨烯氣凝膠的熱阻。具有可調熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應變的石墨烯氣凝膠的熱阻比原始狀態(tài)低3.3倍。在鋰離子電池（LIB）的熱管理過程中，原始的石墨烯氣凝膠就像一個熱絕緣體，在環(huán)境溫度較低（-20°C）時防止LIB的熱量損失，從而使溫度提高9°C，并使LIB的放電容量提高26%。相反，當工作溫度較高（40°C）時，具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當熱界面材料，將 LIB 的過多熱量散發(fā)出去，防止過熱。相關研究成果以“Graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”為題發(fā)表于《J. Mater. Chem. A》。
圖1 GA和GA3000的熱性能及表征
圖2 GA3000的熱性能和力學性能
圖3 GA3000用于LIB熱管理的結構基礎
圖4 a/b)在冷和熱環(huán)境下工作的LIB熱管理系統(tǒng)示意圖。（c-g）基于COMSOL模擬的lib在-20℃和40℃下表面溫度的比較，f) LIBs與ga3000接觸界面示意圖。
展開 三年前，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和弗吉尼亞理工大學的科學家和工程師開始專注于使用光固化技術3D打印石墨烯氣凝膠，這種方法稱為微立體光刻投影技術。
在投影微立體光刻中，紫外光用于將部分層的圖像投影到光敏液體樹脂中，光敏液體樹脂被固化并硬化成圖像的形狀。使用這種方法，研究人員能夠提高3D石墨烯氣凝膠的分辨率，可以達到大約10微米。
為了創(chuàng)造這些復雜的結構，研究人員開始使用氧化石墨烯（石墨烯的前體），使片材交聯(lián)形成多孔水凝膠。通過超聲波破碎氧化石墨烯水凝膠并添加光敏丙烯酸酯聚合物，研究人員可以使用投影微立體光刻技術來創(chuàng)建所需的固體3D結構，其中石墨烯氧化物被捕獲在長而剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。最后，他們將3D結構放置在爐子中以燒掉聚合物并將物體融合在一起，留下純凈輕質的石墨烯氣凝膠。
該項目的主要挑戰(zhàn)之一是提出與微立體光刻工藝兼容的石墨烯氣凝膠樹脂。 Ryan Hensleigh，LLNL的暑期實習生，正在攻讀博士學位。在弗吉尼亞理工大學的大分子科學與工程專業(yè)，他表示，在找到合適的組合之前，他在兩年內研究了許多化學混合物。
“與已經完成的相比，這是一項重大破，”Hensleigh說道。 “我們可以獲得您想要的任何所需結構?！睆?em>石墨烯氣凝膠打印復雜結構的能力也為許多應用打開了大門，這些應用可以受益于計算機驅動的優(yōu)化設計，如航空航天，反應堆，海水淡化廠和化學處理。
“我們已經能夠證明你可以制作一個復雜的3D石墨烯結構，同時仍保留其內在的主要特性，”鄭說。 “通常當你嘗試3D打印石墨烯或放大尺寸時，你會失去其機械性能。”
科學家和工程師現(xiàn)在正在尋求增加3D打印部件的表面積，并將進一步研究以確定精確的參數(shù)以進一步優(yōu)化該技術。
展開 近年來，石墨烯基氣凝膠因其輕質、高效的吸波性能而備受關注。石墨烯氣凝膠的三維網絡結構可以作為骨架結構負載其他介電/磁損耗介質，以進一步提高微波吸收性能。然而，石墨烯基氣凝膠相關的結構控制技術仍然相對缺乏，特別是對于氣凝膠宏觀形狀和微觀結構的設計，不利于進一步優(yōu)化石墨烯基氣凝膠的電磁波吸收性能。此外，石墨烯基氣凝膠還存在吸收頻帶單一、帶寬窄等問題。因此，設計基于石墨烯新型氣凝膠結構，探究新的電磁波損耗機制以實現(xiàn)寬頻高效微波吸收性能是研究的熱點和挑戰(zhàn)。通過氣凝膠形狀和結構的創(chuàng)新設計，引入更有效的電磁損耗和協(xié)同增強是實現(xiàn)寬帶高效電磁波吸收的有效途徑。
西南交通大學材料科學與工程學院孟凡彬“電磁功能材料”團隊近年來致力于電紡制備具有輕質寬頻高效吸波功能的石墨烯基氣凝膠微球研究（Nano Research, 2018, 11, 2847; Nano Research, 2020, 13, 477; Chemical Engineering Journal, 2020, 391, 123512；Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131746；材料工程，2021, 49 (11): 14-29.）。通過調控電紡過程中紡絲針頭結構和電紡參數(shù)，實現(xiàn)對微球內部結構和組分的可控制備，并根據(jù)對石墨烯基氣凝膠微球的結構/組分/形態(tài)的電磁仿真優(yōu)化，實現(xiàn)石墨烯基氣凝膠微球對電磁波的高效寬頻吸收，并揭示多殼層氣凝膠微球對電磁波的多諧振協(xié)同響應和損耗機理。
在前期研究基礎上，孟凡彬團隊進一步提出利用同軸靜電紡絲結合冷凍干燥和熱還原技術制備了具有核殼異質結構的石墨烯基氣凝膠微球（圖1）。
展開 【引言】
石墨烯氣凝膠作為近年來最具吸引力的碳材料之一，在儲能轉換、環(huán)境修復、高性能傳感器、超輕型阻燃劑、電磁干擾屏蔽、吸聲、高效太陽熱轉換等領域顯示出巨大的潛力。制備超輕石墨烯氣凝膠的方法和工藝，包括化學氣相沉積、溶液冷凍干燥、溶膠-凝膠法、模板介導的溶液組裝和3D打印等。在以往的研究中，溶膠-凝膠法和空氣干燥法被認為是實現(xiàn)超彈性（>90%應變）和超低密度（小于10 mg cm-3）石墨烯氣凝膠的低成本、大規(guī)模商業(yè)化生產的重要方法?；瘜W還原或交聯(lián)驅動的氧化石墨烯（GO）的凝膠化過程是其中的關鍵步驟。液晶（LC）相通常在GO水分散體中自發(fā)形成，當不存在特殊控制時，其通常顯示常規(guī)的向列相或層狀相。不幸的是，向列相或層狀相GO LCs在微觀上有序，但宏觀上是嚴重無序，尤其是大尺寸（e.g. 米級尺寸），這將嚴重破壞大尺寸樣品石墨烯水凝膠的均勻性和完整性，進一步阻礙了干燥后大塊石墨烯氣凝膠的成功制備。因此，建立適合工業(yè)應用的方法制備大尺寸、結構完整的石墨烯氣凝膠仍然是一個重大挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，在曲良體教授（通訊作者）團隊的帶領下，北京理工大學與清華大學合作，開發(fā)了一種表面活性劑發(fā)泡溶膠-凝膠法，通過微泡模板有效地破壞和重建分散體系中的GO LCs，從而獲得大尺寸、結構完整的石墨烯水凝膠塊(GHB)。經過簡單冷凍和風干后，得到的石墨烯氣凝膠塊（GAB）表現(xiàn)出結構完整的尺寸約為1 m2，超彈性高達99％壓縮應變，超低密度2.8 mg cm-3，具有快速的太陽能熱轉換能力。
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石墨烯氣凝膠的最新內容
本文綜述了近年來在MXene或石墨烯基復合氣凝膠中設計仿生單向孔隙結構的研究，促進了輕型電磁干擾屏蔽的發(fā)展。全面總結了具有排列多孔結構的MXene和石墨烯基氣凝膠的制備方法、目前的進展、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的前景。這為未來開發(fā)高性能氣凝膠型電磁干擾屏蔽提供了有價值的指導。
研究表明，石墨烯形成的三維網絡，如石墨烯泡沫、垂直石墨烯和石墨烯氣凝膠，可以提高材料的通平面導熱性。
改善材料通平面導熱性的方法是構建沿通平面方向排列填料。例如，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)制備的垂直石墨烯陣列已被證明具有優(yōu)異的通平面導熱性，而通過靜電植束方法將碳纖維填料垂直排列可提高所得復合材料的通平面導熱性。
總結：該文提出了一種混合-紡絲輔助冷凍鑄造（BSFC）策略，將顆粒改性碳纖維加入石墨烯氣凝膠中，以實現(xiàn)機械強化和功能增強。這種方法為創(chuàng)造可定制的多材料、多尺度結構石墨烯氣凝膠提供了極大的自由度。例如，我們制造了碳化硅顆粒改性碳纖維增強石墨烯（SiC/CF-GA）氣凝膠。所制備的氣凝膠具有超輕、高彈性、抗疲勞壓縮（50%應變下1000次循環(huán)）等優(yōu)異性能。
如圖8a所示，首先采用微流控紡絲技術和超臨界流體干燥工藝制備石墨烯氣凝膠纖維。氣凝膠定向智能纖維(ASFs)是通過在PCM中浸漬氟碳樹脂涂層來制備的。值得注意的是，高度多孔的3D石墨烯網絡(圖8b)賦予了由此產生的智能纖維優(yōu)越的機械、電氣和熱性能。因此，最終的智能織物表現(xiàn)出多響應刺激特性(電/熱/光子)。
近日，工業(yè)和信息化部、國務院國資委發(fā)布“關于印發(fā)前沿材料產業(yè)化重點發(fā)展指導目錄（第一批）的通知”，本批指導目錄收錄了15種前沿材料，其中高性能氣凝膠隔熱材料、石墨烯、液態(tài)金屬列入其中。
前沿材料代表新材料產業(yè)發(fā)展的方向與趨勢，具有先導性、引領性和顛覆性，是構建新的增長引擎的重要切入點。
如圖8a所示，首先采用微流控紡絲技術和超臨界流體干燥工藝制備石墨烯氣凝膠纖維。氣凝膠定向智能纖維(ASFs)是通過在PCM中浸漬氟碳樹脂涂層來制備的。值得注意的是，高度多孔的3D石墨烯網絡(圖8b)賦予了由此產生的智能纖維優(yōu)越的機械、電氣和熱性能。因此，最終的智能織物表現(xiàn)出多響應刺激特性(電/熱/光子)。
聚乙烯醇（PVA）氣凝膠具有優(yōu)異的環(huán)保性能，一直被認為可以取代不可降解的聚合物泡沫。然而，由于高易燃性、親水性和較差的抗壓性能，PVA氣凝膠一直被排除在實用之外。近日，福州大學鄭玉嬰教授、施永乾等研究人員通過冷凍干燥法和靜電吸附阻燃劑法制備了具有防火安全性和耐壓性能的
近日，北京化工大學李曉鋒教授、于中振教授團隊通過在 2800 °C 下進行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化，首次設計出了由預氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO）成分制成的高質量各向異性石墨烯氣凝膠。GO成分能有效地誘導OPAN成分的取向和石墨化，并在石墨化過程中將其轉化為石墨碳。
近期，廈門大學張學驁教授、蔡偉偉教授、張宇鋒副教授研究采用溶劑熱法合成了石墨烯氣凝膠，高溫退火降低了石墨烯氣凝膠的熱阻。具有可調熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應變的石墨烯氣凝膠的熱阻比原始狀態(tài)低3.3倍。
石墨烯氣凝膠因其獨特的物理特性而備受關注，但其較差的機械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進應用。近期，新加坡國立大學Yong Yang、Wei Zhai等研究人員提出了一種混合-紡絲輔助冷凍鑄造（BSFC）策略，將顆粒改性碳纖維加入石墨烯氣凝膠中，以實現(xiàn)機械強化和功能增強。這種方法為創(chuàng)造可定制的多材料、多尺度結構石墨烯氣凝膠提供了極大的自由度。
