石墨烯基多功能超輕彈性氣凝膠.pdf

1、單片石墨烯是具有光、電、熱、機械等一系列優(yōu)異性能的新型納米材料，在復(fù)合材料、能量存儲、電子器件等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。為了使單片石墨烯在納米尺度上的性能真正為人們所用，必須將其組裝成宏觀材料，例如一維石墨烯纖維，二維薄膜，三維氣凝膠等。其中三維氣凝膠以其密度低、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)勢倍受關(guān)注。盡管石墨烯氣凝膠方面研究成果頗豐，然而還存在一系列重要的問題大大制約了其大量制備、性能提升以及在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，例如:如何通過簡便的非模板制

2、備方法實現(xiàn)宏量制備？如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計同時實現(xiàn)超輕和高彈性能？原子級厚度的構(gòu)筑單元所能達到的極限最低表觀密度？針對這些重要的問題，本文展開相應(yīng)的研究，實現(xiàn)了超輕彈性石墨烯氣凝膠的宏量制備并探索其在諸如吸附、能量存儲、相變材料等方面的應(yīng)用潛力。
　　借助大型建筑中常用的大跨度結(jié)構(gòu)概念，本文提出“無模板溶液冷干法”，以超大片氧化石墨烯和碳納米管為原料，通過協(xié)同組裝制備出超輕彈性氣凝膠。其基本的結(jié)構(gòu)特征為:相互纏結(jié)的彈性納米碳管網(wǎng)絡(luò)吸附于

3、柔軟的石墨烯表面，形成一個具有彈性的微觀尺度上的大跨度結(jié)構(gòu);再以這種雜化結(jié)構(gòu)單元相互交疊、扭曲，搭接組裝得到宏觀尺度上的彈性氣凝膠。氧化石墨烯與碳納米管前驅(qū)體溶液具有良好的分散性能，如同真溶液一般可以進行稀釋、濃縮等操作，從而實現(xiàn)對氣凝膠密度的有效調(diào)節(jié)，且可以大量制備(如1000cm3)。不添加碳納米管時，氣凝膠最低可達到0.16mg/cm3，是目前世界上表觀密度最低的固體材料。
　　石墨烯與碳納米管協(xié)同組裝超輕氣凝膠具有無溫度依

4、賴的超彈性，在80％的大應(yīng)變范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)上千次的可恢復(fù)性壓縮，并且其超彈性在極寬的溫度區(qū)間(-190-900℃)內(nèi)保持穩(wěn)定，可以適應(yīng)極端溫度環(huán)境下的應(yīng)用。該材料的彈性來源于石墨烯與碳納米管之間的協(xié)同效應(yīng)，單一組分氣凝膠并不具有彈性，只有兩者以合適的比例相互作用才能實現(xiàn)彈性最大化。采用掃描電子顯微鏡原位觀察了單片雜化結(jié)構(gòu)單元在應(yīng)力作用下的壓縮和回彈，證明了氣凝膠的宏觀彈性來源于雜化結(jié)構(gòu)單元的彎曲變形，而非片層之間的滑移。
　　石墨

5、烯彈性超輕氣凝膠對有機溶劑具有超快、超高的吸附能力，依據(jù)溶劑密度不同可達到自身重量的215-913倍，是目前報道的最高值，且可以反復(fù)利用。吸附有機物之后形成的復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)電性，克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料高填充低導(dǎo)電率的缺點，為制備低填充高導(dǎo)電復(fù)合物提供了新路徑。除此之外，還將氣凝膠吸油應(yīng)用擴展至相變熱儲能領(lǐng)域，可吸收自身重量409倍的石蠟，無需另外封裝而不發(fā)生泄漏，且熔融相變焓和凝固相變焓分別高于純石蠟7.8％和28.7％，這種提高相變

6、焓的現(xiàn)象并不多見。以超輕彈性氣凝膠作為電極，組裝成超級電容器，10 mV/s掃描速率下電容值為86.1 F/g，遠高于純碳納米管氣凝膠電容器相同速率下的48 F/g，且而其倍率性能優(yōu)于純石墨烯氣凝膠電容器，表現(xiàn)出一定的協(xié)同效應(yīng)。
　　本文提出溶液凍干法，實現(xiàn)石墨烯氣凝膠的宏量制備;超大片氧化石墨烯為構(gòu)建單元，刷新氣凝膠最低密度紀錄，制備出世界上表觀密度最低的固體材料;并借用大跨度建筑結(jié)構(gòu)的概念，引入“鋼筋”碳納米管，對石墨烯“墻壁