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  石墨烯氣凝膠是由單原子層的石墨烯片以特定的結(jié)構(gòu)組裝而成的三維超輕多孔宏觀體材料。石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)賦予了該氣凝膠材料諸多優(yōu)異的性質(zhì)，例如超低的密度（<10 mgcm^-3）、超高的孔隙率（>99%）、壓縮超彈性（應(yīng)變可達(dá)99%）、突出的環(huán)境穩(wěn)定性、優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換和電熱轉(zhuǎn)換能力、優(yōu)異的吸波和吸聲性能、良好的導(dǎo)電性，使其在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化、環(huán)境和傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，石墨烯氣凝膠的制備還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，還不能進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。其中，一項(xiàng)重要的原因是缺少規(guī)模化的制備方法。

  近幾年，曲良體教授團(tuán)隊(duì)在規(guī)模化制備高性能石墨烯氣凝膠方面取得了一系列重要的進(jìn)展。為解決大尺度條件下混亂的氧化石墨烯液晶對(duì)于溶膠-凝膠過(guò)程的不良影響，該團(tuán)隊(duì)在氧化石墨烯溶液中引入了大量的氣泡作為模板，重構(gòu)其液晶相，制備得到了超大尺寸的石墨烯氣凝膠（約1 m²），如圖1所示。相關(guān)工作以題為“Reconstruction of Inherent Graphene Oxide Liquid Crystals for Large-Scale Fabrication of Structure-Intact Graphene Aerogel Bulk toward Practical Applications”發(fā)表在ACS Nano上。除此之外，他們發(fā)現(xiàn)該方法制備的石墨烯水凝膠具有非常好的壓縮塑性能力，并且可以在常壓環(huán)境下干燥。因此，研究者們建立了一種濕態(tài)壓縮的方法，將石墨烯水凝膠進(jìn)行宏觀組裝，自然干燥后即可得到一體化的超彈石墨烯氣凝膠。有趣的是，研究者們利用該方法建造了一座石墨烯氣凝膠“房子”，如圖2所示。相關(guān)工作以題為“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infinite Macroscale”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

圖1.氧化石墨烯液晶重構(gòu)法制備結(jié)構(gòu)完整的大尺寸石墨烯氣凝膠。

圖2.濕壓法宏觀組裝超彈性石墨烯氣凝膠。

  近日，該團(tuán)隊(duì)使用高濃度的發(fā)泡氧化石墨烯漿料，通過(guò)調(diào)控發(fā)泡倍率、干燥溫度、涂膜厚度等參數(shù)，抑制氣泡的奧斯瓦爾德熟化（Ostwald Ripening）進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放環(huán)境下漿料直接干燥制備三維氧化石墨烯泡沫材料。如圖3所示，該方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以在大多數(shù)固體表面原位地連續(xù)化大面積制備，并且得到的氧化石墨烯泡沫可以任意裁剪，通過(guò)簡(jiǎn)單地加入濕氣即可組裝在一起，得到復(fù)雜的宏觀三維結(jié)構(gòu)。阻燃改性的氧化石墨烯泡沫快速地火燃熱還原，幾秒鐘即可得到具有層級(jí)閉孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠，如圖4所示，該材料具有高的比表面積（206.8 m² g^-1），良好的導(dǎo)電性（接近100 S m^-1）和優(yōu)異的壓縮回彈性（>1000次）。特別的是，層級(jí)閉孔三維石墨烯結(jié)構(gòu)賦予該氣凝膠突出的隔熱阻燃能力，如圖5所示，與開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠相比，層級(jí)閉孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠表現(xiàn)出更好的耐火性質(zhì)，可以有效地阻隔高溫強(qiáng)熱流。該工作使得多功能石墨烯氣凝膠材料可以像常用的塑料泡沫一樣被簡(jiǎn)單地制備，有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和廣泛地應(yīng)用。

圖3.開(kāi)放環(huán)境下直接漿料干燥制備三維氧化石墨烯泡沫材料。

圖4.阻燃改性氧化石墨烯泡沫快速火焰還原制備層級(jí)閉孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠。

圖5.層級(jí)閉孔結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠突出的阻燃和隔熱能力。

  相關(guān)成果以題為“Retarding Ostwald Ripening to Directly Cast 3D Porous Graphene Oxide Bulks at Open Ambient Conditions”發(fā)表在ACS Nano上，論文第一作者為北京理工大學(xué)在讀博士楊洪生同學(xué)，通訊作者為曲良體教授和張志攀教授。合作單位包括北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、意大利羅馬第一大學(xué)等。本項(xiàng)目得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06380

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201901917

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02379