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《石墨烯气凝胶在FC中的首次成功应用》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2019-04-01

  • 据Material Views网站报道：燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。降低重量，提高质量功率密度一直是低温质子膜燃料电池研究领域中的备受关注的要点与难点。具体到直接甲醇燃料电池，避免甲醇穿越质子交换膜也是研究的一个重点。为了避免甲醇穿越质子交换膜，传统的直接甲醇燃料电池只能用1-2 M 的低浓度甲醇作为燃料，从而大大降低了其输出功率。此外，甲醇的毒性严重影响此类燃料电池的民用。 　　

    近日, 英国Northumbria University 的Terence（Xiaoteng） Liu博士课题组和浙江大学高超教授课题组合作成功将石墨烯气凝胶应用在了直接甲醇燃料电池中。此项工作利用石墨烯气凝胶良好的导电性能，优异的机械性能，高催化剂负载性能和超轻的质量，用石墨烯气凝胶替代传统燃料电池中的两个重要组建—电极板和气体扩散层，大大降低燃料电池重量的同时将燃料电池的质量功率密度提升了3倍。石墨烯气凝胶具有特殊的选择吸附性，即使将12M的甲醇存储在气凝胶中，甲醇也几乎不会穿过质子交换膜。此外，石墨烯气凝胶还起到了燃料存储的作用，使得该燃料电池在无需持续输送甲醇的情况下维持运行，从而省去了外接甲醇存储装置和复杂的燃料循环系统，并降低了制作成本。这项工作对燃料电池的进一步发展起到了重要的推动作用。 　　

    研究成果日前发表在Small Methods 期刊上(DOI: 10.1002/smtd.201800138 )。

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  • 《ACS Nano：大气环境直接浆料铸造高性能石墨烯气凝胶》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-05-15
    • 石墨烯气凝胶是由单原子厚度的石墨烯薄片以特定的三维结构相互搭接组装而成的超轻多功能宏观体材料，该材料使石墨烯独特的纳米性质在宏观尺度上得以展现，具有诸多优异的性能。例如，该材料具有超高的孔隙率（>99%），极低的密度（<10 mg mL -1 ），在极宽的温度范围内（-196~1000ºC）保持优异的压缩回弹性，以及突出的光热和电热转换能力。与传统的聚合物、陶瓷和金属泡沫材料相比，石墨烯气凝胶在能源和环境方面的应用显示出其独特的优势。但是，目前制备石墨烯气凝胶的方法，包括化学气相沉积(CVD)、水热合成、冷冻干燥和冷冻铸造，都必须在具有非常规的温度或压力的封闭空间中进行，工艺难于连续化集成，并且制备周期长、能耗高，并不适合工业化大规模生产，特别是针对不同的应用场所，上述方法很难实现该材料的原位制备。因此，开发一种在开放环境条件下连续制备石墨烯气凝胶的组装方法具有重要的理论意义和实用价值。氧化石墨烯具有丰富的含氧基团，在水中可形成高浓度的分散液，并且可相对便宜地大量制备，是构建GAs材料最重要的原料。然而，当氧化石墨烯浆料直接在空气中干燥时，由于存在极强的气液界面张力，氧化石墨烯纳米片倾向于逐层堆叠，形成了排列紧密的2D膜材料。因此，如果不使用冷冻干燥技术或固体模板法消除或抵抗界面张力，在开放环境下，氧化石墨烯浆料直接干燥无法得到三维多孔的宏观材料。近几年，将气泡引入到氧化石墨烯溶液体系中制备气凝胶材料的方法有很多，研究人员通常使用凝胶或冷冻的方法将气泡固定在材料中，因为气泡在溶液中并不是稳定存在的，由于存在压力差，气体总是从尺寸较小的气泡向相邻尺寸较大的气泡流动，导致的结果是大气泡越来越大，小气泡越来越小，该过程属于奥斯瓦尔德（Ostwald）熟化。气泡的过度的演化将会导致气凝胶材料的孔径分布变大，材料性能变差。 成果简介 近日， 北京理工大学 曲良体教授 研究团队使用浓稠的氧化石墨烯发泡浆料在开放环境下直接烘干铸造，制备得到了多孔的三维氧化石墨烯泡沫材料。该方法的原理是在氧化石墨烯浆料干燥过程中，尽量延缓液泡的Ostwald熟化进程，干燥后将相对均匀的气泡锁定在材料中，制备得到三维多孔的泡沫材料。该方法的突出优点是可以在绝大部分的固体表面上任意地连续制备氧化石墨烯泡沫材料，不再受空间和尺寸的限制。更重要的是，阻燃改性的氧化石墨烯泡沫快速热还原后（火焰）形成了具有分级闭孔结构的石墨烯气凝胶。该独特的三维结构赋予了石墨烯气凝胶突出的高温隔热性能（16毫米厚的样品，400℃时表面温度降低70%）和阻燃性能，以及超弹性（50%应变下，循环压缩1000次)、低密度（10~28 mg cm -3 ）、大比表面积（206.8 m 2 g -1 ）和高导电性（约100 S m -1 ）。 这项工作提供了一种非常简单且高效的制备方法，有望实现高性能石墨烯气凝胶材料的原位制备和连续化工业生产。所制备的多功能气凝胶材料有望应用到飞机、高铁甚至建筑物中，以追求更加节能、更加舒适和更加安全的目标。相关研究成果以“ Retarding Ostwald Ripening to Directly Cast 3D Porous Graphene Oxide Bulks at Open Ambient Conditions ”为题发表在 ACS Nano 上，第一作者为北京理工大学博士研究生 杨洪生 同学， 张志攀 教授和 曲良体 教授为论文共同通讯作者。合作单位包括北京理工大学、清华大学、意大利罗马第一大学等。
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  • 《中国科学院苏州纳米所在石墨烯气凝胶领域取得重要进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-05-10
    • 墨烯气凝胶，经由石墨烯片层三维搭接、组装而来的石墨烯宏观体材料，具有三维连续多孔网络结构，表现出高比表面积、高孔隙率、优异导电性能及电化学行为，在能源存储、传感、吸附、复合材料等领域有重要应用前景。然而，目前常规石墨烯气凝胶的三维组装以石墨烯片层间的 “面 - 面”局部搭接方式为主，进而形成具有三维无规连续多孔网络。石墨烯片层间的这种“面 - 面”堆垛 - 搭接方式，是一种无规、随机组装，往往会使得部分石墨烯片层形成类石墨结构，造成石墨烯本征性能（如比表面积、力学、电学等）损失。此外，传统石墨烯气凝胶所具有的这种无规三维多孔网络还引入高界面电阻及曲折离子通道问题，对电化学行为中的电荷 - 离子传输及有效电化学活性面积维持带来负面影响，成为制约石墨烯材料在电化学能源器件中应用的瓶颈。因此，如何设计新的石墨烯组装策略，制备高性能石墨烯气凝胶材料，仍是一个重要挑战。 　　针对石墨烯气凝胶目前存在的问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员领导的气凝胶团队通过 “局部氧化刻蚀”在氧化石墨烯片层上进行造孔，获得孔洞氧化石墨烯，随后将孔洞氧化石墨烯与还原剂分散液高度浓缩，实现其液晶化，进一步经原位溶胶凝胶及超临界干燥获得各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶，如图 1 所示。所得各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶由孔洞石墨烯片层经有序排列而成，表现出规整的三维多孔网络（规整的孔道 / 孔壁及孔壁上的大量微孔）、低密度（ 42-55 mg cm -3 ）、高导电性（ ~165 S m -1 ）、高比表面积（ 537~837 m 2 g -1 ）等诸多优点。最后将该气凝胶作为电极材料，辅以共晶混合物 “水 - 甲酰胺”作为低温电解液，构建出可在温度低至零下 40 ° C 的环境中正常工作的柱状低温热电化学池，表现出低离子传输阻力（ 15.7 Ω ）及高输出功率（ 3.6 W m -2 ）。当 15 个热电化学池进行串联组装成器件时，可实现 ~2.1 V 电压的稳定输出，在低温能源器件应用中表现出重要应用前景。 　　相关成果以 “ High-Ef fi ciency Cryo-Thermocells Assembled with Anisotropic Holey Graphene Aerogel Electrodes and a Eutectic Redox Electrolyte ”为题发表在国际著名期刊《先进材料》（ Advanced Materials ， 2019 ， 1901403 ）上。博士生李广勇、硕士董大鹏及澳门大学洪果教授为论文共同第一作者，张学同研究员与英国 UCL 的宋文辉教授为论文共同通讯作者，合作者还包括中国科技大学的闫立峰教授。论文工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、英国皇家学会 - 牛顿高级学者基金等资助。 　　
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