石墨烯氣凝膠的案例
最輕和最強(qiáng)的材料：石墨烯氣凝膠
，由于其具有出色的導(dǎo)電性能，石墨烯氣凝膠3D打印機(jī)還可以應(yīng)用于制作受損的電生成組織替代物，例如神經(jīng)，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(chǔ)能量。
石墨烯氣凝膠3D打印機(jī)的潛力巨大，而且石墨烯本身已對(duì)許多行業(yè)產(chǎn)生顯著影響。該團(tuán)隊(duì)的鄭曉宇先生表示，工業(yè)設(shè)計(jì)師如今無(wú)需考慮石墨烯片構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的限制，石墨烯氣凝膠3D打印機(jī)可以達(dá)到極高的制造自由，輕松達(dá)成強(qiáng)度、電導(dǎo)率、質(zhì)量傳遞和重量密度的優(yōu)化，3D打印機(jī)在這個(gè)過(guò)程中扮演者至關(guān)重要的角色。
具有可逆可調(diào)熱阻的石墨烯氣凝膠，用于電池?zé)峁芾?/span>
具有低熱阻的碳基材料有利于冷卻電子設(shè)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(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)和隔熱是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。近期，廈門大學(xué)張學(xué)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(diào)熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導(dǎo)熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應(yīng)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(guò)程中，原始的石墨烯氣凝膠就像一個(gè)熱絕緣體，在環(huán)境溫度較低（-20°C）時(shí)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(dāng)工作溫度較高（40°C）時(shí)，具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當(dāng)熱界面材料，將 LIB 的過(guò)多熱量散發(fā)出去，防止過(guò)熱。相關(guān)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(xué)性能
圖3 GA3000用于LIB熱管理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
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(kāi) 微立體光刻3D打印石墨烯氣凝膠，分辨率高達(dá)10微米可以站在花蕊上
三年前，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和弗吉尼亞理工大學(xué)的科學(xué)家和工程師開(kāi)始專注于使用光固化技術(shù)3D打印石墨烯氣凝膠，這種方法稱為微立體光刻投影技術(shù)。
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(shù)脂中，光敏液體樹(shù)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(dá)到大約10微米。
為了創(chuàng)造這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究人員開(kāi)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(guò)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(shù)來(lái)創(chuàng)建所需的固體3D結(jié)構(gòu)，其中石墨烯氧化物被捕獲在長(zhǎng)而剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。最后，他們將3D結(jié)構(gòu)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(zhì)的石墨烯氣凝膠。
該項(xiàng)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(shù)脂。 Ryan Hensleigh，LLNL的暑期實(shí)習(xí)生，正在攻讀博士學(xué)位。在弗吉尼亞理工大學(xué)的大分子科學(xué)與工程專業(yè)，他表示，在找到合適的組合之前，他在兩年內(nèi)研究了許多化學(xué)混合物。
“與已經(jīng)完成的相比，這是一項(xiàng)重大破，”Hensleigh說(shuō)道。 “我們可以獲得您想要的任何所需結(jié)構(gòu)。”從石墨烯氣凝膠打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力也為許多應(yīng)用打開(kāi)了大門，這些應(yīng)用可以受益于計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如航空航天，反應(yīng)堆，海水淡化廠和化學(xué)處理。
“我們已經(jīng)能夠證明你可以制作一個(gè)復(fù)雜的3D石墨烯結(jié)構(gòu)，同時(shí)仍保留其內(nèi)在的主要特性，”鄭說(shuō)。 “通常當(dāng)你嘗試3D打印石墨烯或放大尺寸時(shí)，你會(huì)失去其機(jī)械性能。”
科學(xué)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(jìn)一步研究以確定精確的參數(shù)以進(jìn)一步優(yōu)化該技術(shù)。
展開(kāi) 西南交大孟凡彬團(tuán)隊(duì) CEJ ：通過(guò)諧振腔共振損耗和次序衰減策略實(shí)現(xiàn)核殼異質(zhì)石墨烯基氣凝膠微球?qū)掝l高效微波吸收
近年來(lái)，石墨烯基氣凝膠因其輕質(zhì)、高效的吸波性能而備受關(guān)注。石墨烯氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以作為骨架結(jié)構(gòu)負(fù)載其他介電/磁損耗介質(zhì)，以進(jìn)一步提高微波吸收性能。然而，石墨烯基氣凝膠相關(guān)的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)仍然相對(duì)缺乏，特別是對(duì)于氣凝膠宏觀形狀和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不利于進(jìn)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(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)基于石墨烯新型氣凝膠結(jié)構(gòu)，探究新的電磁波損耗機(jī)制以實(shí)現(xiàn)寬頻高效微波吸收性能是研究的熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)。通過(guò)氣凝膠形狀和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引入更有效的電磁損耗和協(xié)同增強(qiáng)是實(shí)現(xiàn)寬帶高效電磁波吸收的有效途徑。
西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孟凡彬“電磁功能材料”團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于電紡制備具有輕質(zhì)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(guò)調(diào)控電紡過(guò)程中紡絲針頭結(jié)構(gòu)和電紡參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組分的可控制備，并根據(jù)對(duì)石墨烯基氣凝膠微球的結(jié)構(gòu)/組分/形態(tài)的電磁仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)石墨烯基氣凝膠微球?qū)﹄姶挪ǖ母咝掝l吸收，并揭示多殼層氣凝膠微球?qū)﹄姶挪ǖ亩嘀C振協(xié)同響應(yīng)和損耗機(jī)理。
在前期研究基礎(chǔ)上，孟凡彬團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出利用同軸靜電紡絲結(jié)合冷凍干燥和熱還原技術(shù)制備了具有核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨烯基氣凝膠微球（圖1）。
展開(kāi) 
北理工曲良體團(tuán)隊(duì)ACS Nano：重構(gòu)氧化石墨烯液晶實(shí)現(xiàn)石墨烯氣凝膠的大規(guī)模制備
【引言】
石墨烯氣凝膠作為近年來(lái)最具吸引力的碳材料之一，在儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換、環(huán)境修復(fù)、高性能傳感器、超輕型阻燃劑、電磁干擾屏蔽、吸聲、高效太陽(yáng)熱轉(zhuǎn)換等領(lǐng)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(xué)氣相沉積、溶液冷凍干燥、溶膠-凝膠法、模板介導(dǎo)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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)超彈性（>90%應(yīng)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(chǎn)的重要方法。化學(xué)還原或交聯(lián)驅(qū)動(dòng)的氧化石墨烯（GO）的凝膠化過(guò)程是其中的關(guān)鍵步驟。液晶（LC）相通常在GO水分散體中自發(fā)形成，當(dāng)不存在特殊控制時(shí)，其通常顯示常規(guī)的向列相或?qū)訝钕唷２恍业氖牵蛄邢嗷驅(qū)訝钕郍O LCs在微觀上有序，但宏觀上是嚴(yán)重?zé)o序，尤其是大尺寸（e.g. 米級(jí)尺寸），這將嚴(yán)重破壞大尺寸樣品石墨烯水凝膠的均勻性和完整性，進(jìn)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(yīng)用的方法制備大尺寸、結(jié)構(gòu)完整的石墨烯氣凝膠仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，在曲良體教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，北京理工大學(xué)與清華大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)了一種表面活性劑發(fā)泡溶膠-凝膠法，通過(guò)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(jié)構(gòu)完整的石墨烯水凝膠塊(GHB)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單冷凍和風(fēng)干后，得到的石墨烯氣凝膠塊（GAB）表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)完整的尺寸約為1 m2，超彈性高達(dá)99％壓縮應(yīng)變，超低密度2.8 mg cm-3，具有快速的太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換能力。
展開(kāi) 通過(guò)共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠
石墨烯氣凝膠因其獨(dú)特的物理特性而備受關(guān)注，但其較差的機(jī)械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進(jìn)應(yīng)用。近期，新加坡國(guó)立大學(xué)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(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)化和功能增強(qiáng)。這種方法為創(chuàng)造可定制的多材料、多尺度結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(yīng)變下1000次循環(huán)）等優(yōu)異性能。同時(shí)，增強(qiáng)的彈性激發(fā)了 SiC/CF-GA 氣凝膠的有效應(yīng)變傳感能力，其靈敏度高達(dá)13.8 kPa
-1。由于加入了碳化硅顆粒，氣凝膠的介電性能可調(diào)，因此具有寬帶（8.0 GHz）有效電磁波衰減性能。此外，還可以通過(guò) BSFC 策略在石墨烯氣凝膠中加入不同的顆粒，從而實(shí)現(xiàn)可定制的設(shè)計(jì)。此外，改性氣凝膠還具有多功能性，包括吸音、隔熱、防火和防水，進(jìn)一步豐富了其實(shí)用性。因此，BSFC 策略為制造改性石墨烯氣凝膠的先進(jìn)功能應(yīng)用提供了定制解決方案。相關(guān)研究成果以“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”為題發(fā)表于《ACS Nano》。
圖1. (a) 混合-紡絲輔助冷凍鑄造 (BSFC) 策略示意圖。(b) TEM 圖像顯示嵌入纖維并被皺褶石墨烯片包裹的碳化硅顆粒。(c) 由交錯(cuò)的 SiC/CF 加固的改性石墨烯片的微觀結(jié)構(gòu)。(d) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的 XRD 圖。
展開(kāi) 用于電磁干擾屏蔽的Mxene和石墨烯氣凝膠的制備、進(jìn)展、面臨挑戰(zhàn)和前景
通過(guò)水熱自組裝和冷凍干燥等工藝，石墨烯及其氧化類似物(GO和rGO)可以很容易地構(gòu)建各種多孔結(jié)構(gòu)，降低電磁干擾屏蔽的密度，增強(qiáng)電磁輻射的多重反射。特別是，定向多孔結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)材料的各向異性，這已被證明有利于進(jìn)一步提高電磁干擾屏蔽能力。
4.1. 高導(dǎo)電性純石墨烯多孔材料
由于其低成本和易加工性，氧化石墨烯已成為構(gòu)建石墨烯基多孔結(jié)構(gòu)的流行前體。Guo等人使用改進(jìn)的3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了層狀石墨烯氣凝膠(圖7a)。最初，使用帶有狹縫擠出頭的定制注射器通過(guò)剪切稀釋來(lái)創(chuàng)建各向同性狀態(tài)的氧化石墨烯液晶(GOLCs)。同時(shí)，在氧化石墨烯分散體中加入叔丁醇(TBA)，以保持氧化石墨烯納米片在冷凍干燥氣凝膠形成過(guò)程中的平行排列。隨后，通過(guò)逐層打印和冷凍干燥制備層狀氧化石墨烯氣凝膠。層狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程排列有效地提高了導(dǎo)電率，從而增強(qiáng)了電磁干擾屏蔽性能。然而，由于含氧官能團(tuán)的存在和共軛體系的破壞，氧化石墨烯的電導(dǎo)率明顯低于石墨烯。此外，熱力學(xué)和化學(xué)還原方法都會(huì)破壞多孔結(jié)構(gòu)，從而限制了獨(dú)立氧化石墨烯和還原氧化石墨烯氣凝膠的性能。為了解決這些問(wèn)題，引入了高導(dǎo)電性材料，與氧化石墨烯或還原氧化石墨烯結(jié)合形成復(fù)合氣凝膠。
Zhang等人成功制備了以NiCo納米顆粒裝飾的定向多孔氧化石墨烯/單壁碳納米管(SWNTs)氣凝膠。與復(fù)雜的3D打印相比，定向凍結(jié)是一種更受歡迎的方法。如圖7b所示，定向通道有利于有序?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)的形成，并為emw的多次反射提供了空間。結(jié)合磁性NiCo納米顆粒引入的磁損失，NiCo@rGO/SWNTs氣凝膠的EMI SE為105 dB，相應(yīng)的SSE/t值為18711 dB?cm2/g。此外，F(xiàn)an等人巧妙地將高導(dǎo)電性的2D MXene納米片加入氧化石墨烯中，利用冷凍干燥和熱處理生產(chǎn)出輕質(zhì)混合泡沫。
展開(kāi) 石墨烯氣凝膠
石墨烯氣凝膠質(zhì)量輕、比表面積大，所以對(duì)污染物的吸附量高，在環(huán)境治理方面有著很大的潛力，它能很好地吸附水里面的油污和有機(jī)染料，且在吸收后還能做到原油回收，氣凝膠本身也能重新再使用。石墨烯氣凝膠的這種特性使得海上原油泄漏事件在未來(lái)將不再是環(huán)境噩夢(mèng)，可阻止原油進(jìn)一步污染海洋，破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)。
北化李曉鋒/于中振《AFM》超靈敏壓力/彎曲傳感器雙向冷凍軟而彈性層狀石墨烯氣凝膠的合理設(shè)計(jì)
摘要
為了通過(guò)減弱抗壓強(qiáng)度同時(shí)保持彈性來(lái)提高石墨烯氣凝膠基壓阻傳感器的靈敏度，
北京化工大學(xué)
李曉鋒副教授
/
于中振教授
團(tuán)隊(duì)
通過(guò)雙向冷凍氧化石墨烯的水懸浮液，制備具有高彈性和令人滿意的電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)層狀石墨烯氣凝膠（LGA）。少量有機(jī)溶劑的存在，然后進(jìn)行凍干和熱退火。
由于 LGA 的層狀結(jié)構(gòu)，其沿垂直于層狀表面的方向的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)低于具有相似表觀密度的各向同性和單向排列的石墨烯氣凝膠的壓縮強(qiáng)度，從而導(dǎo)致基于 LGA 的超靈敏壓阻傳感器具有高-3.69 kPa
-1
的靈敏度和 0.15 Pa 的低檢測(cè)限。
基于 LGA 的壓阻傳感器的超高靈敏度和低檢測(cè)限有助于檢測(cè)室溫和液氮中的細(xì)微壓力，并具有檢測(cè)動(dòng)態(tài)力頻率和聲音的能力振動(dòng)。此外，由于石墨烯薄片之間的連接點(diǎn)較少，LGAs 切片可以集成為一個(gè)寬范圍且靈敏的彎曲傳感器，可以檢測(cè)從 0°到 180°的任意彎曲角度，檢測(cè)限低至 0.29°，并且有效檢測(cè)手腕脈搏和手指彎曲的生物信號(hào)。相關(guān)論文以題為
Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors
發(fā)表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
圖解
通過(guò)定向冷凍和凍干形成 LGA
圖1
通過(guò)在水、乙醇或 THF 存在下雙向冷凍 GO 懸浮液，然后冷凍干燥和熱退火來(lái)制造 LGA 的示意圖。
展開(kāi) 聚酰亞胺纖維/石墨烯氣凝膠：原位縮合節(jié)點(diǎn)“焊接”，超彈形變力熱可調(diào)
來(lái)源 | Advanced Fiber Materials
原文 | https://doi.org/10.1007/s42765-023-00268-6
01
背景介紹
石墨烯氣凝膠具有規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)、室溫下的高載流子遷移率和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在柔性觸覺(jué)傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，由于石墨烯片層在反復(fù)壓縮下容易發(fā)生滑動(dòng)，石墨烯氣凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差；并且現(xiàn)有的壓縮應(yīng)變傳感器在應(yīng)力作用下的傳熱性能變化尚不清楚，難以用于檢測(cè)真實(shí)溫度，使觸覺(jué)傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，天津大學(xué)封偉教授課題組采用水熱還原和原位焊接的實(shí)驗(yàn)方法，成功制備了一種超彈性聚酰亞胺纖維/石墨烯氣凝膠（PINF/GA），系統(tǒng)性地研究了該復(fù)合氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，并通過(guò)簡(jiǎn)便的方法將其應(yīng)用于柔性觸覺(jué)傳感陣列，測(cè)試了其對(duì)未知物體形貌和溫度同時(shí)感知的能力。該復(fù)合氣凝膠具有獨(dú)特的拱橋形結(jié)構(gòu)，寬溫度高彈性和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率具有較高的應(yīng)力敏感性，導(dǎo)熱系數(shù)變化比可達(dá)9.81。此外，基于溫度數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建的柔性觸覺(jué)傳感陣列，可以同時(shí)檢測(cè)未知物體的形狀、高度分布和溫度分布。該研究成果解決了三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)熱調(diào)節(jié)能力差和彈性差的問(wèn)題，對(duì)具有寬工作溫度范圍的柔性觸覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。研究結(jié)果表明，PINF/GA在柔性觸覺(jué)傳感、智能人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
展開(kāi) 《Carbon》石墨烯氣凝膠結(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得進(jìn)展
石墨烯是碳原子以sp2雜化方式構(gòu)建的二維蜂窩狀納米片層，因其優(yōu)異的理化性能和超大的理論比表面積，在光電、催化、傳感器、環(huán)境修復(fù)等的領(lǐng)域都展現(xiàn)出良好的應(yīng)用發(fā)展前景。石墨烯片層組裝構(gòu)建的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)氣凝膠，不但良好保持了片層的優(yōu)良特性，同時(shí)在環(huán)境修復(fù)應(yīng)用中還便于回收和循環(huán)使用，是石墨烯應(yīng)用的重要發(fā)展方向。溶膠-凝膠法是制備石墨烯氣凝膠最常用的方法，但片層凝膠化組裝過(guò)程不可避免會(huì)發(fā)生片層的面對(duì)面堆垛，最終得到的氣凝膠比表面積小，結(jié)構(gòu)較脆、易碎。目前雖有大量研究表明通過(guò)引入各式各樣修飾結(jié)構(gòu)，可抑制片層的堆垛，增強(qiáng)氣凝膠的機(jī)械性能等，然而如何簡(jiǎn)單地僅通過(guò)調(diào)控納米片層自身結(jié)構(gòu)就能達(dá)到相同的目的卻很難實(shí)現(xiàn)。
中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所納米環(huán)境功能材料研究組（付明來(lái)研究組）基于已有石墨烯研究基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)控納米片層上含氧結(jié)構(gòu)的分布，破壞片層表面原本穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使納米片層能在簡(jiǎn)單的水溶液中發(fā)生褶皺，實(shí)現(xiàn)片層的自我堆垛抑制，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)采用該片層構(gòu)建的氣凝膠具有更優(yōu)異的機(jī)械彈性和疏水性。該氣凝膠對(duì)常見(jiàn)油類和有機(jī)溶劑的吸附容量可達(dá)154-325 g/g，相對(duì)于常規(guī)氣凝膠的吸附容量提高了224%-406%，可應(yīng)用在水體中有機(jī)污染物的高效選擇去除。
圖：片層調(diào)控構(gòu)建氣凝膠過(guò)程示意及氣凝膠的優(yōu)異疏水性和彈性
該研究成果基于納米片層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，充分利用二維材料結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化氣凝膠性能，更強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的重要性。相關(guān)論文“Tuning oxygen clusters on graphene oxide to synthesize graphene aerogels with crumpled nanosheets for effective removal of organic pollutants”發(fā)表在Carbon（Carbon 2019, 143, 897-907）上。
展開(kāi) 
新吉尼斯世界紀(jì)錄！世界上最輕的3D打印材料
氣凝膠是一種用途廣泛的物質(zhì)，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(xué)絕緣體，據(jù)了解，近年來(lái)利用3D打印機(jī)就可以制造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關(guān)注度最高的一種，因?yàn)樗梢詰?yīng)用在電子部件的電池和觸媒中。
▲ 3D打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(huì)彎曲。該材料 被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。
近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。該材料密度是如此之小，可以安全放在花瓣或棉花上。該材料是由美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東、布法羅大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程助理教授Chi Zhou和蘭州大學(xué)副教授張強(qiáng)強(qiáng)共同制備的。
▲ 石墨烯氣凝膠輕如鴻毛
吉尼斯世界紀(jì)錄將石墨烯氣凝膠命名為“密度最小的的3D打印結(jié)構(gòu)材料”。 3D打印石墨烯氣凝膠密度只有0.5毫克每立方厘米。研究人員于2016年2月制備了材料，并得到了吉尼斯世界紀(jì)錄的正式認(rèn)可。他們的成就將在“吉尼斯世界紀(jì)錄2018版”中亮相。
“石墨烯是一種革命性的材料，它的氣凝膠形式也同樣重要，”林說(shuō)。“我們研發(fā)的的3D打印石墨烯氣凝膠各項(xiàng)性能非常優(yōu)秀，可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動(dòng)器、柔性機(jī)器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護(hù)材料等。
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料。由于其十分良好的強(qiáng)度、柔韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
展開(kāi) 高質(zhì)量各向異性石墨烯氣凝膠及其導(dǎo)熱相變復(fù)合材料，用于高效太陽(yáng)能-熱-電能轉(zhuǎn)換
近日，北京化工大學(xué)李曉鋒教授、于中振教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在 2800 °C 下進(jìn)行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化，首次設(shè)計(jì)出了由預(yù)氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO）成分制成的高質(zhì)量各向異性石墨烯氣凝膠。GO成分能有效地誘導(dǎo)OPAN成分的取向和石墨化，并在石墨化過(guò)程中將其轉(zhuǎn)化為石墨碳。在用石蠟進(jìn)行真空輔助浸漬后，得到了一種最佳的導(dǎo)熱相變復(fù)合材料（PCC），在石墨烯含量為1.07 Vol%的低水平下，其通面導(dǎo)熱系數(shù)提高到了4.36Wm
-1K
-1，形狀穩(wěn)定性得到改善，潛熱保持率高達(dá)99.7%。得益于出色的光吸收和太陽(yáng)-熱轉(zhuǎn)換能力，PCC在太陽(yáng)-熱-電能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中非常高效，在5kWm
-2 的模擬太陽(yáng)光照射下，輸出電壓高達(dá)1181mV。通過(guò)釋放存儲(chǔ)在PCC中的熱能，即使在太陽(yáng)光停止照射后，它也可以繼續(xù)為L(zhǎng)ED燈供電。這項(xiàng)工作為制造具有高潛熱保持率的導(dǎo)熱PCC提供了一種可行而有效的方法，用于高效的太陽(yáng)能-熱能-電能轉(zhuǎn)換。相關(guān)研究成果以“High-Quality Anisotropic Graphene Aerogels and Their Thermally Conductive Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermal–Electrical Energy Conversion”為題發(fā)表于《ACS Sustainable Chem. Eng.》。
圖1.（a） PG氣凝膠及其石蠟相變復(fù)合材料的制造示意圖。（b,c）PG4的側(cè)視圖和（d，e）俯視圖SEM圖像。（f） PG4的數(shù)碼照片。
圖 2. (a) 在 OPAN/GO 懸浮液中以不同的初始 GO 比率制備的 PG 氣凝膠的表觀密度。插圖顯示了不同 PG 氣凝膠的尺寸。
展開(kāi) 弗吉尼亞理工大學(xué)與LLNL 實(shí)現(xiàn)高分辨率、復(fù)雜石墨烯結(jié)構(gòu)的3D打印
氣凝膠，是世界上密度最輕的固體，也被稱為“凝煙”，它是用氣體取代凝膠中的液體制成的，因此其重量的90%以上是空氣，這種極輕物質(zhì)具有一些杰出的特性。
通過(guò)3D打印制造出的石墨烯材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的創(chuàng)建大宗石墨烯氣凝膠的方法，傳統(tǒng)的方法只能“產(chǎn)生隨機(jī)的孔隙結(jié)構(gòu)”，不能為像傳感器、液流電池、分離器等這些項(xiàng)目提供有效的機(jī)械傳輸。3D打印可以實(shí)現(xiàn)氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的智能設(shè)計(jì)，從可以控制它的質(zhì)量傳輸（由于其小而曲折的孔結(jié)構(gòu)，氣凝膠通常需要很高的壓力梯度才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳輸）和物理屬性的優(yōu)化，比如剛性等。這一進(jìn)展為將氣凝膠用于新穎和創(chuàng)造性的應(yīng)用開(kāi)拓了設(shè)計(jì)空間。
我國(guó)復(fù)旦大學(xué)在高濃度石墨烯規(guī)模化水相制備方面取得了突破，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧紅斌課題組與新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)系羅健平（Loh Kian Ping）課題組合作，通過(guò)在石墨烯表面引入少量可電離含氧官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了高濃度石墨烯（50 mg/mL）在水相中的高效率制備。相關(guān)成果已在線發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）上。
復(fù)旦大學(xué)課題組研究人員采用一種非穩(wěn)定分散的策略，實(shí)現(xiàn)了在高濃度（50 mg/mL）下的高產(chǎn)率剝離，AFM統(tǒng)計(jì)剝離產(chǎn)物90%以上為單層石墨烯，且晶格缺陷少、薄膜電導(dǎo)率甚至可達(dá)2.5′104 S/m。在pH 14的水溶液中剝離時(shí)，由于表面雙電層被壓縮，石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀，后者即使?jié)饪s至固含量為23 wt%的濾餅室溫儲(chǔ)存一月后，仍可再次分散于形成均勻穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，從而有效解決了石墨烯規(guī)模化應(yīng)用中的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。
此外，該方法制備的石墨烯水相漿料表現(xiàn)出了良好的流變特性，可直接通過(guò)3D打印制備各種形狀的石墨烯氣凝膠，從而為石墨烯在儲(chǔ)能、環(huán)境治理、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。
展開(kāi) 3D打印超級(jí)電容電極，性能與穩(wěn)定性均強(qiáng)過(guò)以往
若使用團(tuán)隊(duì)的新研究便能略過(guò)堆棧過(guò)程，研究員設(shè)計(jì)的多孔石墨烯氣凝膠晶格電極，除了能讓氧化錳材料均勻沉積、有效提升充放電的離子擴(kuò)散效率，新方法還可以在不減少性能的情況下將電極厚度增加到 4mm。
Yat Li 表示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試指出，新型電容電極的每單位儲(chǔ)存電荷量已超過(guò)以往的研究。而這項(xiàng)研究最主要的創(chuàng)新在于可利用 3D 打印來(lái)制造電極結(jié)構(gòu)，且新型電極的穩(wěn)定性也相當(dāng)高，在 2 萬(wàn)次充放電循環(huán)后容量仍可維持 90%，3D 打印的石墨烯氣凝膠電極設(shè)計(jì)靈活度也非常高，甚至可以印刷成任何形狀，有望提升超級(jí)電容的應(yīng)用范圍，目前團(tuán)隊(duì)已將研究發(fā)表在《Joule》。
