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，在復合材料、能量存儲、電子器件等領域有著巨大的應用潛力。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域的應用，例如:如何通過簡便的非模板制

2、備方法實現宏量制備？如何通過結構設計同時實現超輕和高彈性能？原子級厚度的構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，本文展開相應的研究，實現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用潛力。
　　借助大型建筑中常用的大跨度結構概念，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。其基本的結構特征為:相互纏結的彈性納米碳管網絡吸附于

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構;再以這種雜化結構單元相互交疊、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，從而實現對氣凝膠密度的有效調節(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％的大應變范圍內能夠實現上千次的可恢復性壓縮，并且其超彈性在極寬的溫度區(qū)間(-190-900℃)內保持穩(wěn)定，可以適應極端溫度環(huán)境下的應用。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，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彈性最大化。采用掃描電子顯微鏡原位觀察了單片雜化結構單元在應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構單元的彎曲變形，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，且可以反復利用。吸附有機物之后形成的復合材料具有較高的導電性，克服了傳統(tǒng)復合材料高填充低導電率的缺點，為制備低填充高導電復合物提供了新路徑。除此之外，還將氣凝膠吸油應用擴展至相變熱儲能領域，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，表現出一定的協(xié)同效應。
　　本文提出溶液凍干法，實現石墨烯氣凝膠的宏量制備;超大片氧化石墨烯為構建單元，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構的概念，引入“鋼筋”碳納米管，對石墨烯“墻壁