像“砌墙”一样实现石墨烯气凝胶规模化组装

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。

图b 为石墨烯水凝胶“砖”压缩组装、常压干燥制备气凝胶“墙”的过程。图e 为搭建的一体化石墨烯气凝胶“房子”。

图c 为超弹性、可常压干燥石墨烯水凝胶的制备过程及原理。图d-f 为该水凝胶压缩前后的宏观照片及微观结构。

如上图c所示，氧化石墨烯溶液中加入表面活性剂快速搅拌，引入了大量的微米气泡，促使氧化石墨烯以该气泡为模板进行自组装，获得了各向同性的类球形大尺寸泡孔；再通过引入一步冷冻-融化过程，利用冰晶对闭合的泡孔进行打洞，使形成相互连通的孔道，有利于内部的气泡和溶液挤出，如上图e；最终得到了各向同性且相互连通的大尺寸泡孔结构，如上图d。正是这种精心设计的微观结构赋予了该水凝胶优异的塑性变形能力和可常压干燥能力。

图a揭示了组装过程中水凝胶之间界面的演变过程。图b为组装气凝胶界面的扫描电镜照片。

 如上图所示，研究者发现，通过压缩可以使水凝胶之间的界面变得紧密，并且常压干燥过程中，毛细收缩力会进一步压紧界面，使石墨烯片层之间紧密排列，产生了较强的π-π相互作用，气凝胶之间形成很强的结合力，成为了一个整体。

图a 表明阻燃剂改性的组装气凝胶具有优异的阻燃隔热能力，可以保护纸飞机不燃烧达10分钟。图c，图d表明了组装气凝胶具有很好的回弹性和强度。

图a-i表明通过控制压缩程度，即可在较宽的范围内相对精确地调控气凝胶材料的多种性质，包括压缩强度、平均孔径、材料密度及导电性。

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。

参考文献：

Yang,H.; Li, Z.; Sun, G.; Jin, X.; Lu, B.; Zhang, P.; Lin, T.; Qu, L., Adv. Funct.Mater. 2019, 1901917.

来源：高分子科学前沿