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        未來新材料的產(chǎn)業(yè)化道路:石墨烯宏觀組裝材料 ——石墨烯氣凝膠


        來源:中國粉體網(wǎng)   墨玉

        [導(dǎo)讀]  石墨烯非常優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)引起各領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注,然而如何將石墨烯的性能轉(zhuǎn)化到宏觀材料上并為人所用,仍然是一個(gè)急需解決的問題。

        中國粉體網(wǎng)訊  石墨烯非常優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)引起各領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注,然而如何將石墨烯的性能轉(zhuǎn)化到宏觀材料上并為人所用,仍然是一個(gè)急需解決的問題。石墨烯的物理特性導(dǎo)致其無法進(jìn)行熔融加工,只能采用溶液加工的方式將微觀的石墨烯片轉(zhuǎn)化成石墨烯宏觀材料。想要獲取更多關(guān)于石墨烯宏觀組裝材料的前沿知識?蘇州“2018低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)”上,浙江大學(xué)教授高超將會(huì)帶您深入了解《石墨烯宏觀組裝材料》。




        高超,浙江大學(xué)教授,1995年及1998年分別獲湖南大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位,2001年畢業(yè)于上海交通大學(xué)高分子科學(xué)與工程系,獲得工學(xué)博士學(xué)位,并留校任教,2002年8月被評為副教授。2003年11月至2006年8月先后在英國薩塞克斯大學(xué)(University of Sussex)、日本東洋大學(xué)(Toyo University)、德國的拜羅伊特大學(xué)(University of Bayreut)做訪問研究、博士后研究、合作研究和洪堡學(xué)者研究。2008年3月加入浙江大學(xué)高分子系,現(xiàn)為浙江大學(xué)浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師。 2013年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助。


        在包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Prog. Polym. Sci., Adv. Func. Mater., Chem. Commun., Macromolecules, Biomacromolecules, J. Phys. Chem. B, Langmuir, J. Mater. Chem., Nanotechnology等在內(nèi)的國際知名雜志上發(fā)表SCI收錄文章60多篇,被他引1300余次,其中一篇的他引率超過350次,居1998-2007全國高引用率文章62篇中的17位,2004-2008年中國化學(xué)領(lǐng)域高引用率文章第1名,另一篇文章他引200多次,居2004-2008年中國化學(xué)領(lǐng)域高引用率文章第7名,獲得授權(quán)的國家發(fā)明專利20多項(xiàng)。




        石墨烯氣凝膠(aerogel)是一種三維固態(tài)輕質(zhì)材料,具有納米多孔的結(jié)構(gòu),可用作探測器、催化劑以及催化劑載體材料、吸附劑、隔熱材料及高性能儲(chǔ)能設(shè)備的電極材料等。


        石墨烯氣凝膠的制備方法


        1、氣相沉積法(CVD 法)


        在高溫的情況下使碳源裂解,最后將裂解成的碳沉積在金屬或者金屬氧化物的模板上,最后通過一定的方法刻蝕掉模板,及得到三維網(wǎng)狀的石墨烯氣凝膠。


        一個(gè)170*220mm2的自由石墨烯氣凝膠圖片(a)及其SEM圖片(b)。


        如圖是典型的 CVD 法制備的石墨烯氣凝膠,其以甲烷作為碳源在高溫下進(jìn)行裂解并將裂解的甲烷沉積在多孔鎳上面,最終用強(qiáng)酸將模板刻蝕除去即得到多孔的三維網(wǎng)狀的石墨烯氣凝膠。這種方法制備的石墨烯氣凝膠的導(dǎo)電率較高,明顯高于利用其它的方法制備的石墨烯氣凝膠的導(dǎo)電率。但是這種制備方法對基底,碳源及碳源生長的條件都有相對較高的要求。不適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),適合在實(shí)驗(yàn)室中作為研究。


        2、溶膠-凝膠法


        這種方法是目前應(yīng)用最廣泛的方法,并且適合大規(guī)模的生產(chǎn)如圖是典型的溶膠-凝膠法制備的石墨烯氣凝膠。


        軟木形狀的密度為5.10mg•cm-3的石墨烯彈性體的形貌圖(a)以及上面(b)和側(cè)面(c)的SEM圖。


        先將石墨烯氣凝膠的前驅(qū)體(石墨烯片層或者氧化石墨烯片層)分散在適當(dāng)?shù)娜軇┲,通過一定的方法使得分散液形成溶膠狀態(tài),及形成含有溶劑的濕凝膠,最后將濕凝膠中的溶劑除去及得到了石墨烯氣凝膠。


        石墨烯氣凝膠的干燥工藝


        以溶膠-凝膠的法居多,通過制備水凝膠,然后干燥制備氣凝膠。但是常規(guī)的蒸發(fā)干燥,由于無法克服表面張力,導(dǎo)致凝膠多孔結(jié)構(gòu)坍塌,得到的氣凝膠失去了應(yīng)用價(jià)值。隨著石墨烯水凝膠干燥工藝的逐步完善,冷凍干燥、超臨界干燥、微波干燥等先進(jìn)的干燥技術(shù),已經(jīng)基本上取代了常規(guī)的干燥的方法,實(shí)現(xiàn)了氣凝膠在體積以及重要的納米孔徑上的保持。


        1、冷凍干燥技術(shù)。冷凍干燥技術(shù)的原理是在真空環(huán)境下,利用升華,除去樣品中水分的過程。冷凍干燥石墨烯水凝膠,可以實(shí)現(xiàn)樣品在冷凍、干燥過程中均勻受熱,從而在干燥的同時(shí)保持了水凝膠的體積以及納米孔隙結(jié)構(gòu)。


        2、超臨界干燥。超臨界干燥,它利用超臨界溶劑溫和、快速的實(shí)現(xiàn)凝膠中溶劑的替換。原理在于:替換溶劑在達(dá)到自身的臨界點(diǎn)時(shí),氣液界面消失,毛細(xì)作用消失,從凝膠中排出流體時(shí)就不會(huì)引起凝膠的體積收縮和結(jié)構(gòu)的破壞,從而得到納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整的凝膠材料。


        3、其它干燥方法。凝膠干燥方法的改進(jìn)都致力于多孔納米結(jié)構(gòu)的保持,例如微波干燥、恒沸蒸溜干燥、遠(yuǎn)紅外干燥法等。但是,上述的幾種干燥方法都只能在一定程度上克服表面張力,而且不同的干燥方法只能在特定的領(lǐng)域才有較大的應(yīng)用價(jià)值。冷凍干燥和超臨界干燥對石墨烯氣凝膠性質(zhì)的保持上有著明顯的優(yōu)勢,但是由于苛刻條件以及成本因素的限制,很難實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。所以,不論是工業(yè)化生產(chǎn)還是一般的實(shí)驗(yàn)室研究,尋求一種低成本的石墨烯氣凝膠制備工藝有著很大的必要。

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        作者:墨玉

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