《兼具高强度、超弹性 像“砌墙”一样规模组装石墨烯气凝胶!》

  • 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:2019-05-05
  • 众所周知,将砖块垒砌可以成墙,进而建造成各式各样的建筑。如今,石墨烯气凝胶也可以像“砌墙”一样进行宏观组装了。石墨烯气凝胶是由二维石墨烯构成的一种超轻泡沫材料,具有超高的孔隙率和优异的压缩回弹性,可导电、吸音、耐高低温、阻燃隔热,在能源、环境、催化、传感等领域具有巨大的应用前景。

    最近,曲良体课题组发明了一种气泡-冰晶双模板辅助溶胶-凝胶法,成功制备了一种具有优异塑性变形能力的石墨烯水凝胶,并且该水凝胶可以常压干燥得到气凝胶。研究者发现,将多个这种水凝胶“砖”在湿态下压缩组装,彼此间紧密排列,自然晾干后即可得到一体化的石墨烯气凝胶“墙”甚至“房子”,不会变形收缩。并且,通过增大压缩程度,可以显著提高该材料的极限压缩强度,最高可达47Mpa,而压缩回弹性几乎不会损失,可恢复应变高达97%,解决了高强度和超弹性不能兼备的问题。该方法具有很高的灵活性,通过控制压缩程度即可调控气凝胶材料的多种性质,解决了该材料难以大面积制备的关键问题,有望实现石墨烯气凝胶在建筑、交通工具、航空航天等领域的广泛应用。该工作以题为“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infnite Macroscale”发表在国际重要期刊《Advanced Functional Materials》上,第一作者为北京理工大学博士研究生杨洪生。

    该组装气凝胶具有突出的阻燃隔热能力,优异的压缩回弹性,可控的压缩强度、密度、导电性。该工作最大的意义是,使多功能的石墨烯气凝胶具有了不限的宏观尺寸、多样的宏观结构、丰富的性能选择,并且方法简单、高效,有望实现石墨烯气凝胶材料的大规模应用。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=478589
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    • 碳材料可按碳原子杂化轨道的不同分为石墨碳(GC)、软碳(SC)和硬碳(HC)。石墨碳具有二维六方晶体的长程有序结构,如石墨,石墨炔,石墨烯/氧化石墨烯、碳纳米管等。在热解过程中,一些碳原子重构成二维芳族石墨烯片,如果这些石墨烯片大致平行,在高温下则容易石墨化,称为软碳;如果这些石墨烯片随机堆叠并通过边缘原子交联,高温下不能石墨化,则称为硬碳。通常来说,石墨碳和软碳具有高弹性,但是强度较低,容易变形,而硬碳的强度大,稳定性好,但是易碎。如何将硬碳材料制备成超弹性块材仍然是一个挑战。 最近,中科大化学系俞书宏教授领导的课题组受到自然界的蜘蛛网同时具有高强度和弹性的启发,巧妙通过模板法构筑纳米纤维网络结构,赋予传统硬碳材料超弹性。通过使用间苯二酚-甲醛(RF)树脂作为硬碳源,以多种1D纳米纤维,包括细菌纤维素纳米纤维(BCNF),碲纳米线(TeNW)和碳纳米管(CNT)作为结构模板制备RF的纳米纤维气凝胶,通过高温碳化即可得到超弹性和抗疲劳硬碳气凝胶(HCA)。 研究者通过简单的控制原料的配比,可以轻易实现对气凝胶物理参数的调控,如纤维的直径、密度等。 结构稳定性 得益于纳米纤维网络结构和纤维间的硬碳焊接点,所得的HCAs具有优异的机械性能。 通过原位扫描电子显微镜可以看出,在经过50%压缩后,材料的整体结构恢复原状,并没有明显的结构破坏或不可逆形变。 超弹性 该材料具有优异的弹性性能,回弹速度高达860 mm s-1,能量损耗系数低至0.16,与传统碳材料相比,兼具弹性与强度。 这种新型HCA实现了弹性和强度之间的平衡,研究者探究了其作为大量程压阻式传感器,以及可拉伸/可弯曲导体的相关性质。结果表明,该弹性导体具有优异的循环稳定性,同时由于结构和组分的稳定性,可以实现在苛刻环境下工作(如液氮中)。 该研究的最大意义在于,通过自然材料的启发和精心设计的微观结构,可以将传统的脆性僵硬的树脂转变成高性能的超弹性的硬碳气凝胶材料,与传统碳材料相比,该气凝胶具有极高的回弹速度、极低的能量损耗、同时保持高强度和稳定性。该方法有望扩展到制备其他非碳基纳米纤维材料,并提供了一种通过设计纳米纤维的微观结构将刚性材料转变成弹性或柔性材料的新思路。 参考文献:Zhi-Long Yu, BingQin, Zhi-Yuan Ma, Jin Huang, Si-Cheng Li, Hao-Yu Zhao, Han Li, Yin-Bo Zhu,Heng-An Wu, and Shu-Hong Yu*, Superelastic Hard Carbon Nanofiber Aerogels, Adv. Mater. 2019, 1900651
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    • 碳材料可按碳原子杂化轨道的不同大致可分为石墨碳、软碳和硬碳。软碳和硬碳主要用于描述聚合物热解制备的碳材料,在热解过程中,一些碳原子重构成二维芳族石墨烯片,如果这些石墨烯片大致平行,在高温下则容易石墨化,这种碳被称为软碳;如果这些石墨烯片随机堆叠并通过边缘碳原子交联,高温下不能石墨化,这种碳则称为硬碳。通常来说,石墨碳和软碳具有高弹性,容易变形,但是强度较低;由于大量sp3-C引起的硬碳微观上乱层“纸牌屋”结构的存在,硬碳材料在机械强度和结构稳定性方面展现出极大的优势,但是本征性质较脆且易碎。如何将硬碳材料制备成超弹性块材是目前面临的一个挑战。 最近,中国科学技术大学俞书宏教授领导的课题组受自然界蜘蛛网同时具有高强度和弹性的启发,巧妙通过模板法构筑纳米纤维网络结构,制备了一系列具有纳米纤维网络结构的硬碳气凝胶。该系列气凝胶具有超弹性、抗疲劳以及稳定性好等优点。研究论文以“Superelastic hard carbon nanofiber aerogels”为题近期发表在《先进材料》上(Advanced Materials 2019, 1900651),并被选为被封底论文。论文的共同第一作者为我校博士后于志龙和博士生秦冰。 图1. 硬碳气凝胶的制备。(a)示意图,表明通过使用纳米线作为模板的通用合成方法;(b)以BCNF@RF为例,宏量合成RF纳米纤维水凝胶;(c)硬碳气凝胶SEM图像;(d)显示纳米纤维网状结构和纤维-纤维的焊接点。 研究人员通过使用间苯二酚-甲醛(RF)树脂作为硬碳源,以多种一维纳米纤维作为结构模板制备RF的纳米纤维气凝胶,通过高温碳化即可得到超弹性硬碳气凝胶。这种硬碳气凝胶微观结构精细,由大量的纳米纤维和纳米纤维之间的焊接点构成(图1)。这种方法简单高效,容易放大生产,通过调节模板与树脂单体的添加量,可简便地调控纳米纤维的直径、气凝胶的密度、机械性能等。 与传统硬而脆的硬碳块材不同,这种硬碳气凝胶表现出优异的弹性性能(图2),主要包括:结构稳定性(在压缩50%之后,微观结构依然能恢复);高回弹速度(860 mm s-1),高于众多石墨碳基的弹性材料;低能量损耗系数(<0.16),一般石墨及软碳材料内部存在的分子间作用力,会造成粘附力和摩擦力从而耗散很多能量;抗疲劳性,在50%应变下测试104个循环后,碳气凝胶仅显示2%的塑性变形,并保持93%的初始应力。研究人员还探索了这种硬碳气凝胶在弹性导体方面的应用,在50%的应变下多次压缩循环后,电阻几乎不变,展示出稳定的机械-电学性能,同时可以在苛刻的条件下(例如在液氮中)保持超弹性及电阻稳定性。 图2.碳气凝胶的机械性能。(a)BCNF@C气凝胶的原位SEM;(b)不同材料能量损耗系数的对比;(c)不同材料回弹速度的对比;(d)碳气凝胶不同循环下的应力-应变曲线 基于其优异的机械性能,这种硬碳气凝胶有望在应用于具有高稳定性、大量程(50 KPa)、可拉伸或可弯曲的应力传感器。此外,这种方法可扩展到制备其他非碳基复合纳米纤维气凝胶,为今后提供了一种通过设计纳米纤维的微观结构将刚性材料转变成弹性或柔性材料的新途径。 该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心等的资助。