高強度高彈性石墨烯氣凝膠的制備

2017-08-03 09:50:00    來源:摩帆網 關鍵詞: 化合物 化合物定制 小分子技術 

氣凝膠作為一種多孔結構的化合物新型材料,具有超低密度、超低導熱及高能量吸收的性質,在保溫材料、隔音材料、污染控制和催化劑載體等方面有著廣泛的應用,而碳氣凝膠尤其是石墨烯氣凝膠更是具有光明的應用前景。然而,這些應用往往需要石墨烯氣凝膠同時具備高強度和高彈性,這種“魚和熊掌兼得”的要求對科學家們提出了不小的挑戰。盡管目前也發展出一些技術試圖解決這一問題,如3D打印、化學氣相沉積、水熱法及冷凍干燥法等,但能真正制備出高度有序結構得到高強度和高彈性石墨烯氣凝膠的成功者寥寥無幾。

高強度高彈性石墨烯氣凝膠的制備

再力花也稱水竹芋、水蓮蕉,作為一種水生植物,可能并不為人所熟知。近日,某課題組受輕質、高強度、高彈性的再力花莖干的啟發,模仿其3D化合物定制層層互連結構,采用雙向冷凍技術以冰為模板將氧化石墨烯組裝成類似結構,再經過冷凍干燥和熱還原得到了具有高度有序3D結構的石墨烯氣凝膠。這種仿生石墨烯氣凝膠同時具有高強度和高回彈能力。再力花的莖干通常有2米高,僅6-10毫米厚,具有足夠的強度和彈性,能讓植株在頻繁刮風的環境中生存。他們員發現,再力花莖干中具有3D層層互連結構。受此啟發,他們采用雙向冷凍技術,首先使冰晶成核,再使其沿垂直和水平兩個方向的溫度梯度進行生長,氧化石墨烯片層在兩個方向上平行組裝,形成類似再力花莖干的3D微結構,隨后經過冷凍干燥和熱還原得到仿生石墨烯氣凝膠。通過電鏡表征,這種石墨烯氣凝膠片層的厚度為1-5μm,連接橋的長度為10-30 μm,且內部含有許多大孔。接著,經過對其強度與彈性進行了測試,發現它能承受超過其自身重量6000倍的壓力,盡管會被壓縮到原大小的一半,但外力一旦消失這種石墨烯氣凝膠就能完全恢復原狀。在壓縮1000次以上之后,它仍能保持初始強度的85%。相比而言,那些具有隨機孔結構的石墨烯氣凝膠在10次壓縮后,強度損失就超過了一半。


這種具有精細結構的石墨烯氣凝膠造價非常昂貴,而且小分子技術難以成功制備,而課題組的這項仿生石墨烯氣凝膠同時具有高強度和高回彈能力的研究給人們提供了一種低成本且可擴展的制備方法。

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