高度排列石墨烯氣凝膠，用于多功能復(fù)合材料最新進(jìn)展！

1**成果簡(jiǎn)介 **

石墨烯源于獨(dú)特的面內(nèi)蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)和sp2雜化碳原子，通過(guò)異常強(qiáng)的碳-碳鍵鍵合，表現(xiàn)出顯著的各向異性電學(xué)、機(jī)械學(xué)和熱學(xué)性能。為了最大限度地利用石墨烯的面內(nèi)特性，已經(jīng)設(shè)計(jì)了預(yù)構(gòu)建和對(duì)齊的結(jié)構(gòu)，例如取向氣凝膠、薄膜和纖維。高度排列的石墨烯氣凝膠具有取向結(jié)構(gòu)、高表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和多孔性的獨(dú)特組合，可以在特定方向上定制和增強(qiáng)性能，從而在不同領(lǐng)域取得進(jìn)步。

本文，北京科技大學(xué)****伍英、香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院鄭慶彬 助理教授、北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院于中振 教授等在《Nano-Micro Lett》期刊發(fā)表名為“Highly Aligned Graphene Aerogels for Multifunctional Composites”的論文，綜述了高度排列的石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料的最新進(jìn)展。它重點(diǎn)介紹了取向石墨烯氣凝膠的制備方法和取向優(yōu)化，可以從定性和定量上進(jìn)行估計(jì)。定向支架賦予石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料各向異性特性，在犧牲垂直方向的情況下，沿排列顯示出增強(qiáng)的電學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)特性**。綜述了石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料的卓越性能和應(yīng)用，例如它們?cè)?a target="_blank">電子、環(huán)境應(yīng)用、熱管理和儲(chǔ)能方面的適用性。提出了挑戰(zhàn)和潛在機(jī)遇，為該材料的前景提供了新的見(jiàn)解。**

2圖文導(dǎo)讀

石墨烯氣凝膠的制備

為了制造高度排列的石墨烯氣凝膠，研究人員開(kāi)發(fā)了幾種合成方法，如圖1所示。

（i）定向冷凍鑄造方法涉及以受控方式冷凍石墨烯分散體。冰晶充當(dāng)模板，在冷凍鑄造過(guò)程中強(qiáng)制對(duì)齊。定向凍結(jié)可以精確控制對(duì)準(zhǔn)方向和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)需要仔細(xì)控制凍結(jié)條件。通過(guò)定向冷凍鑄造排列的石墨烯氣凝膠的形態(tài)高度依賴(lài)于溫度梯度的方向和強(qiáng)度。

（ii）自組裝技術(shù)利用了GO液晶（LC）固有的取向特性，當(dāng)GO片懸浮在溶劑中并由于其各向異性特性而自發(fā)排列時(shí)形成。這是一種可能大規(guī)模制備石墨烯氣凝膠的簡(jiǎn)單方法，而遠(yuǎn)距離取向是困難的。

（iii）剪切誘導(dǎo)取向依靠機(jī)械力來(lái)對(duì)齊石墨烯片。通過(guò)使GO色散受到剪切力（例如旋轉(zhuǎn)或振蕩剪切力），片材沿流動(dòng)方向?qū)R。強(qiáng)制裝配一般與水熱處理相結(jié)合，以保持對(duì)準(zhǔn)。剪切誘導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)是可擴(kuò)展且直接的，因?yàn)樗恍枰獙?zhuān)門(mén)的模板，而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)程度和方向的精確控制具有挑戰(zhàn)性。

圖1、高度排列石墨烯氣凝膠制備應(yīng)用最廣泛的技術(shù)總結(jié)

2.2 各向異性

構(gòu)成石墨烯晶格的碳原子通過(guò)穩(wěn)健的共價(jià)鍵錯(cuò)綜復(fù)雜地連接，形成彈性的二維結(jié)構(gòu)框架。由于原子結(jié)構(gòu)和鍵合，石墨烯表現(xiàn)出固有的各向異性，這導(dǎo)致高度排列的石墨烯氣凝膠中具有各向異性。當(dāng)石墨烯片在氣凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)排列時(shí)，石墨烯性質(zhì)的方向依賴(lài)性延伸到氣凝膠結(jié)構(gòu)。石墨烯特性固有的這種方向依賴(lài)性與氣凝膠的交叉在一起，從而賦予了特定方向的品質(zhì)。由于對(duì)準(zhǔn)，氣凝膠的機(jī)械、電氣、熱、傳輸、EMI 屏蔽和其他特性沿不同方向受到顯著影響。

圖2、高度取向石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料的各向異性性能

3**小結(jié) **

總之，本綜述重點(diǎn)介紹了高度排列的石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料的最新進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征、表征、性能和潛在應(yīng)用。借助定向冷凍鑄造技術(shù)、GO LC 前驅(qū)體的自組裝和機(jī)械剪切，制備出了具有高度定向壁和多孔通道的石墨烯氣凝膠。利用掃描電子顯微鏡觀察、掃描電子顯微鏡圖像的取向分布分析、偏振拉曼光譜和 X 射線(xiàn)散射，可以對(duì)石墨烯構(gòu)件的排列進(jìn)行定性和定量分析。有序排列的石墨烯氣凝膠充分利用了二維石墨烯薄片顯著的面內(nèi)機(jī)械、電學(xué)和熱學(xué)特性，在機(jī)械、電學(xué)、熱傳輸和電磁干擾屏蔽特性方面表現(xiàn)出各向異性（沿特定方向的性能更好，而犧牲了橫向方向的性能）。對(duì)齊支架具有超彈性、超壓縮性和抗疲勞性，使對(duì)齊石墨烯氣凝膠成為壓力和壓縮應(yīng)變壓電傳感的理想材料。石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料的各向異性導(dǎo)熱性使其可用于各種與熱有關(guān)的應(yīng)用，如太陽(yáng)能熱能傳輸/存儲(chǔ)、太陽(yáng)能蒸汽、熱導(dǎo)體和熱絕緣體。高度排列的石墨烯基氣凝膠中定向多孔通道的毛細(xì)管效應(yīng)使其在有機(jī)溶劑/油吸收方面大有可為。此外，它們?cè)陔娀瘜W(xué)裝置和電磁干擾屏蔽等應(yīng)用中也表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。主要挑戰(zhàn)和可能的解決方案如下：

(i) 高度配向石墨烯氣凝膠領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)之一是開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展、可控制和具有成本效益的制造技術(shù)，以可靠地實(shí)現(xiàn)和保持所需的配向水平。雖然在對(duì)齊結(jié)構(gòu)的制造方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但許多現(xiàn)有技術(shù)在可擴(kuò)展性和成本效益方面受到限制，阻礙了它們?cè)诟蠓秶鷥?nèi)的實(shí)際應(yīng)用。持續(xù)的研究工作側(cè)重于優(yōu)化制造工藝和探索創(chuàng)新方法，如多步驟工藝或結(jié)合不同配準(zhǔn)方法的混合技術(shù)，這些都是有貢獻(xiàn)的。采用機(jī)器人系統(tǒng)和自動(dòng)化質(zhì)量控制進(jìn)行精確處理、配準(zhǔn)和組裝過(guò)程，也能提高效率、降低勞動(dòng)力成本并提高可重復(fù)性。

(ii)GO 懸浮液目前被用作制造石墨烯氣凝膠的前驅(qū)體，但還原過(guò)程通常涉及苛刻的化學(xué)處理或高溫退火，這對(duì)于部分恢復(fù)石墨烯的優(yōu)異特性是必要的。這就限制了石墨烯氣凝膠產(chǎn)品的整體質(zhì)量和大規(guī)模制造。開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、大尺寸的石墨烯構(gòu)件和有效的功能化技術(shù)，以確保良好的分散性和兼容性，為推進(jìn)排列整齊的石墨烯氣凝膠帶來(lái)了巨大希望。改進(jìn)剝離參數(shù)以減少缺陷、最大化橫向尺寸并更好地控制層數(shù)，可獲得具有所需特性的石墨烯薄片。用化學(xué)基團(tuán)或功能分子對(duì)石墨烯薄片的特定區(qū)域進(jìn)行選擇性功能化（例如，功能化石墨烯邊緣和結(jié)晶良好的平面），可提高石墨烯的分散性、穩(wěn)定性和與各種基質(zhì)的相容性，同時(shí)將石墨烯的優(yōu)異內(nèi)在特性保持在最高水平，有利于進(jìn)一步增強(qiáng)排列整齊的石墨烯氣凝膠基材料。

(iii) 整合高配位石墨烯氣凝膠基材料的多功能性 通過(guò)整合多功能性來(lái)生產(chǎn)一體化器件是促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用的有效途徑之一。通過(guò)在單一材料或器件中集成多種功能，可以更高效、更有效地解決廣泛的應(yīng)用問(wèn)題。高度排列的石墨烯氣凝膠具有獨(dú)特的性能，如高比表面積、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、各向異性的熱導(dǎo)率和電性能，因此是多功能集成的理想候選材料。例如，在對(duì)齊石墨烯氣凝膠材料中集成傳感和致動(dòng)功能。將傳感元件集成到氣凝膠結(jié)構(gòu)中，可用于應(yīng)變或壓力傳感應(yīng)用。此外，配向石墨烯氣凝膠還具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可作為致動(dòng)器材料對(duì)溫度或濕度變化等外部刺激做出響應(yīng)。這些多功能材料可以在智能結(jié)構(gòu)、機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中找到應(yīng)用。




審核編輯：劉清