青島大學成功研制彈性石墨烯氣凝膠

在眾多石墨烯宏觀體結構中,石墨烯氣凝膠(Graphene Aerogel)是最引人註目的材料之一。而回彈性石墨烯氣凝膠,由於具有低密度、大孔隙率、優異的力學性能和高導電率,被廣泛應用於輕質結構材料、儲能材料、柔性導電材料、傳感器和阻尼材料等領域。目前材料科學傢開發出模板法、溶膠凝膠法等制備高回彈石墨烯氣凝膠。但目前的制備方法無法對石墨烯氣凝膠的外形進行設計,石墨烯氣凝膠外形一般依賴於容器的形狀。

最近,青島大學劉敬權教授、青年教師李晨蔚與中科院化學所劉琛陽研究員、澳大利亞迪肯大學楊文榮教授等人合作以商品三聚氰胺泡沫為可犧牲模板,利用氧化石墨烯在模板中組裝成石墨烯網絡時保留瞭模板的外形,再通過氫碘酸刻蝕掉模板,制備出具有復雜形狀的超回彈石墨烯氣凝膠。

青島大學成功研制彈性石墨烯氣凝膠

1以三聚氰胺泡沫作為模板,制備超回彈石墨烯氣凝膠的過程示意圖(a);各種形狀的石墨烯氣凝膠(b-f)和三維組合結構的石墨烯氣凝膠(g)。

該氣凝膠具有超回彈性,在95%形變率下呈現出0.556 MPa的高壓縮強度。該氣凝膠具有優異的耐久性,在90%的形變率下,可以承受上百次的壓縮-回復測試。並且樣品在高溫(400℃)和低溫(-100℃)下均保持其超回彈特性。

青島大學成功研制彈性石墨烯氣凝膠

2石墨烯氣凝膠的力學性能表征

該石墨烯氣凝膠呈現超疏水性,對於各種有機溶劑,呈現出較高的吸附效率(176-513 g g-1)。得益於樣品的超回彈性、高力學性能和優異的耐熱性,可以通過擠壓或燃燒的方式回收或除去所吸附的溶劑,使其可以重復吸附溶劑。

青島大學成功研制彈性石墨烯氣凝膠

3石墨烯氣凝膠的吸附溶劑測試(a-d);吸附-擠出(e,g)和吸附-燃燒(f,h)循環測試。

由於石墨烯氣凝膠的高導電率和優異的結構穩定性,在壓縮、彎曲等變形中樣品表現出穩定和靈敏的電響應,可以組裝成壓力/應變傳感器。並且可以制成柔性可穿戴期間,直接貼於人體表面,用於檢測人體腕部,手指和脈搏的運動信息。

青島大學成功研制彈性石墨烯氣凝膠

4圓柱狀石墨烯氣凝膠組裝成壓力/應變傳感器示意圖(a);圓柱狀石墨烯氣凝膠的壓縮循環測試(b-d);石墨烯氣凝膠薄膜的彎曲循環測試(e);氣凝膠組裝成柔性可穿戴器件用來檢測人體運動:手腕彎曲(f)、手指彎曲(g)、和脈搏跳動(h)。

這種制備簡單、性能優異、易於形狀設計的石墨烯氣凝膠對於該類材料的工業化和應用拓展具有重要意義。

相關研究結果以Superelastic and Arbitrary-Shaped Graphene Aerogels with Sacrifcial Skeleton of Melamine Foam for Varied Applications為題發表在Advanced Functional Materials上。

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