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高分子学院张建明教授团队在规模化制备石墨烯气凝胶领域取得重要进展
2020/09/11 09:28:53     (访问量:)



石墨烯气凝胶是由二维石墨烯纳米片组装搭接而成的三维多孔宏观体材料,其具有极低的密度、超高的孔隙率、超高的压缩回弹性、优异的环境稳定性等独特性质,在快速环境修复、高效能量转化、超灵敏传感器、电磁屏蔽以及高效催化等领域拥有极大的应用潜力。目前,石墨烯气凝胶的一个显著缺点是柔韧性较差,弯曲时易破裂,严重制约了该材料的应用领域。近期,高分子学院张建明教授团队基于气泡模板法,将天然胶乳粒子成功地复合到了气凝胶的孔壁中,形成了仿玫瑰花表面的石墨烯孔壁结构,显著增加了材料的韧性,同时维持了超低的密度(4.6 mg cm-3)。该材料的接触角可达131.8°,可以粘附水滴,并且仿玫瑰花表面结构使得石墨烯璧更加粗糙,显著提高了其光热转化能力,使得该材料在太阳能净水领域具有重大的应用前景。相关工作以“Tough, Ultralight, and Water-Adhesive Graphene/Natural Rubber Latex Hybrid Aerogel with Sandwichlike Cell Wall and Biomimetic Rose-Petal-Like Surface(文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b18948)为题发表于国际重要期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上,该论文以青岛科技大学为唯一通讯单位,博士生张晓方为第一作者。                   


1 大块天然胶乳/石墨烯气凝胶图片,其类玫瑰花表面的微观结构以及疏水但粘附水滴性能。

加入天然胶乳之后其具有优异的抗冲击、超声破坏以及快速光热转化能力。

 

近几年,高分子学院张建明教授团队一直致力于石墨烯气凝胶材料的制备和应用研究,并取得了一系列重要的进展。前期工作中,张建明教授团队在国际上率先实现了石墨烯气凝胶材料的常压干燥制备,并获得了优异的材料性能(J. Mater. Chem. A, 2015, 19268-19272.)。该制备技术具有工艺简单、设备要求低、能耗低、可大规模生产等突出的优点,为石墨烯气凝胶的工业化生产奠定了重要基础。基于此, 该团队将ZIF-8通过浸泡方式负载到石墨烯气凝胶孔壁上, 获得了较高的比表面积,改杂化气凝胶材料对CO2具有优异的吸附能力(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 827-834)。为了进一步推进石墨烯气凝胶的规模化制备,得到机械性能优异且稳定的材料,该团队将气泡模板概念引入制备过程中,取得了重要的进展。该方法制备的石墨烯气凝胶不仅拥有超低密度(2.2 mg/cm-3),超级压缩回弹性(压缩应变高达99%,回弹速率9464 mm min-1)以及耐疲劳性(~1000000次循环,5Hz,压缩应变70%)等诸多优点,材料的机械性能更加稳定,并且有利于规模化制备(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 1303)。

 

2空气泡模板结合常压干燥技术制备的具有各向同性孔结构的石墨烯气凝胶,及其超轻、超可压缩回弹及耐疲劳性能。

 

 上述研究得到了国家自然科学基金以及山东省重点研发计划的支持。

 

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