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碳气凝胶研究领域取得新进展


来源:科学网

[导读]  中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院教授宋文辉及中国科学技术大学教授闫立峰等合作,成功获得了一种新型的全碳气凝胶,即石墨烯交联的碳空心球气凝胶。

中国粉体网讯  气凝胶曾被誉为改变世界的新材料,在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极其广泛的应用前景。从结构上看,气凝胶是由零维的量子点、一维的纳米线或者二维的纳米片等低维纳米结构经三维组装而成的超轻多孔纳米材料。低维纳米结构的各种变量,如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学属性等参数,都会对最终获得的气凝胶性能产生重要影响。


图1 石墨烯交联的碳空心球气凝胶制备工艺路线示意图


迄今为止,已有多种低维纳米结构组装成功能各异的气凝胶,但这些纳米结构单元的尺寸均在100纳米以下,甚至仅仅为几个纳米。对于结构单元的尺寸大于100纳米(即亚微米级)的气凝胶的制备挑战巨大,这主要是由两方面原因造成的:一是气凝胶结构单元的尺寸越大,其比表面积越小(两者成反比关系)。对于亚微米级的结构单元,无论其为无机物(密度较高)还是有机物(密度较低),获得的气凝胶的比表面积都非常小,因而失去了气凝胶比表面积大这一优异特征;二是无论纳米级结构单元之间的连接是物理作用或者化学键合,随着结构单元尺寸的变大,连接处的原子占总原子数的比例会急剧降低,因而组装后的气凝胶材料会随着结构单元尺寸变大而急剧变脆。

 

针对这些挑战,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院教授宋文辉及中国科学技术大学教授闫立峰等合作,以平均直径达到220纳米的导电高分子(聚苯胺聚吡咯共聚物)空心球为前驱体,以氧化石墨烯为交联剂,先后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤(图1),成功获得了一种新型的全碳气凝胶,即石墨烯交联的碳空心球气凝胶(图2)。交联剂石墨烯的存在,把球与球之间的点对点接触巧妙转化为点对面接触,因而提高了最终气凝胶的力学性能;空心球结构的使用,以及在亚微米级空心球壳层上造出的大量微孔,保证了获得的最终气凝胶具有大的比表面积;而前驱体导电高分子的选择,使得最终的全碳气凝胶实现了氮元素的掺杂。


图2 石墨烯交联的碳空心球气凝胶:(a)花瓣上的气凝胶;(b)气凝胶的扫描电子显微镜照片;(c)气凝胶的透射电子显微镜照片;(d)气凝胶的氮气吸脱附曲线。 


研究获得的石墨烯交联的碳空心球气凝胶具有低密度((51-67mg/cm3)、高导电性(263-695S/m)、高比表面积(569-609m2/g)、高杨氏模量(1.8MPa)等诸多优点,有望在能源(捕获、存储、转换)、传感、催化、吸附、分离、功能复合材料等领域得到广泛应用。例如,将石墨烯交联的碳空心球气凝胶作为电极材料应用在U-型热电化学池上,电池的输出功率高达1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1),其相对卡诺循环的能量转化效率高达1.4%,这些数值远高于目前同类型器件的数值。

 

该工作为大尺寸粒子组装成气凝胶提供了很好的设计思路,解决了由亚微米结构单元制备功能性气凝胶的技术难题。相关结果发表在Nano Energy (2017, 39, 470 - 477)上。中科院苏州纳米所硕士生董大鹏和郭海涛为该论文的共同第一作者。

 

该工作得到了国家自然科学基金(51572285,21373024)、科技部(2016YFA0203301)和中科院苏州纳米所的经费支持。


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