未来新材料的产业化道路:石墨烯宏观组装材料 ——石墨烯气凝胶 - 中国粉体网

2018-04-18 09:21:16

中国粉体网讯  石墨烯非常优异的物理化学性质已经引起各领域科学家的广泛关注,然而如何将石墨烯的性能转化到宏观材料上并为人所用,仍然是一个急需解决的问题。石墨烯的物理特性导致其无法进行熔融加工,只能采用溶液加工的方式将微观的石墨烯片转化成石墨烯宏观材料。想要获取更多关于石墨烯宏观组装材料的前沿知识?苏州“2018低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”上,浙江大学教授高超将会带您深入了解《石墨烯宏观组装材料》。


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高超,浙江大学教授,1995年及1998年分别获湖南大学学士和硕士学位,2001年毕业于上海交通大学高分子科学与工程系,获得工学博士学位,并留校任教,2002年8月被评为副教授。2003年11月至2006年8月先后在英国萨塞克斯大学(University of Sussex)、日本东洋大学(Toyo University)、德国的拜罗伊特大学(University of Bayreut)做访问研究、博士后研究、合作研究和洪堡学者研究。2008年3月加入浙江大学高分子系,现为浙江大学浙江大学高分子科学与工程学系教授、博士生导师。 2013年获国家杰出青年科学基金资助。


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等在内的国际知名杂志上发表SCI收录文章60多篇,被他引1300余次,其中一篇的他引率超过350次,居1998-2007全国高引用率文章62篇中的17位,2004-2008年中国化学领域高引用率文章第1名,另一篇文章他引200多次,居2004-2008年中国化学领域高引用率文章第7名,获得授权的国家发明专利20多项。


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石墨烯气凝胶(aerogel)是一种三维固态轻质材料,具有纳米多孔的结构,可用作探测器、催化剂以及催化剂载体材料、吸附剂、隔热材料及高性能储能设备的电极材料等。


石墨烯气凝胶的制备方法


1、气相沉积法(CVD 法)


在高温的情况下使碳源裂解,最后将裂解成的碳沉积在金属或者金属氧化物的模板上,最后通过一定的方法刻蚀掉模板,及得到三维网状的石墨烯气凝胶。


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一个170*220mm2的自由石墨烯气凝胶图片(a)及其SEM图片(b)。


如图是典型的 CVD 法制备的石墨烯气凝胶,其以甲烷作为碳源在高温下进行裂解并将裂解的甲烷沉积在多孔镍上面,最终用强酸将模板刻蚀除去即得到多孔的三维网状的石墨烯气凝胶。这种方法制备的石墨烯气凝胶的导电率较高,明显高于利用其它的方法制备的石墨烯气凝胶的导电率。但是这种制备方法对基底,碳源及碳源生长的条件都有相对较高的要求。不适合大规模的工业化生产,适合在实验室中作为研究。


2、溶胶-凝胶法


这种方法是目前应用最广泛的方法,并且适合大规模的生产如图是典型的溶胶-凝胶法制备的石墨烯气凝胶。


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软木形状的密度为5.10mg•cm-3的石墨烯弹性体的形貌图(a)以及上面(b)和侧面(c)的SEM图。


先将石墨烯气凝胶的前驱体(石墨烯片层或者氧化石墨烯片层)分散在适当的溶剂中,通过一定的方法使得分散液形成溶胶状态,及形成含有溶剂的湿凝胶,最后将湿凝胶中的溶剂除去及得到了石墨烯气凝胶。


石墨烯气凝胶的干燥工艺


以溶胶-凝胶的法居多,通过制备水凝胶,然后干燥制备气凝胶。但是常规的蒸发干燥,由于无法克服表面张力,导致凝胶多孔结构坍塌,得到的气凝胶失去了应用价值。随着石墨烯水凝胶干燥工艺的逐步完善,冷冻干燥、超临界干燥、微波干燥等先进的干燥技术,已经基本上取代了常规的干燥的方法,实现了气凝胶在体积以及重要的纳米孔径上的保持。


1、冷冻干燥技术。冷冻干燥技术的原理是在真空环境下,利用升华,除去样品中水分的过程。冷冻干燥石墨烯水凝胶,可以实现样品在冷冻、干燥过程中均匀受热,从而在干燥的同时保持了水凝胶的体积以及纳米孔隙结构。


2、超临界干燥。超临界干燥,它利用超临界溶剂温和、快速的实现凝胶中溶剂的替换。原理在于:替换溶剂在达到自身的临界点时,气液界面消失,毛细作用消失,从凝胶中排出流体时就不会引起凝胶的体积收缩和结构的破坏,从而得到纳米网络结构完整的凝胶材料。


3、其它干燥方法。凝胶干燥方法的改进都致力于多孔纳米结构的保持,例如微波干燥、恒沸蒸溜干燥、远红外干燥法等。但是,上述的几种干燥方法都只能在一定程度上克服表面张力,而且不同的干燥方法只能在特定的领域才有较大的应用价值。冷冻干燥和超临界干燥对石墨烯气凝胶性质的保持上有着明显的优势,但是由于苛刻条件以及成本因素的限制,很难实现广泛应用。所以,不论是工业化生产还是一般的实验室研究,寻求一种低成本的石墨烯气凝胶制备工艺有着很大的必要。