青岛大学成功研制弹性石墨烯气凝胶

在众多石墨烯宏观体结构中,石墨烯气凝胶Graphene Aerogel)是最引人注目的材料之一。而回弹性石墨烯气凝胶,由于具有低密度、大孔隙率、优异的力学性能和高导电率,被广泛应用于轻质结构材料、储能材料、柔性导电材料、传感器和阻尼材料等领域。目前材料科学家开发出模板法、溶胶凝胶法等制备高回弹石墨烯气凝胶。但目前的制备方法无法对石墨烯气凝胶的外形进行设计,石墨烯气凝胶外形一般依赖于容器的形状。

最近,青岛大学刘敬权教授、青年教师李晨蔚与中科院化学所刘琛阳研究员、澳大利亚迪肯大学杨文荣教授等人合作以商品三聚氰胺泡沫为可牺牲模板,利用氧化石墨烯在模板中组装成石墨烯网络时保留了模板的外形,再通过氢碘酸刻蚀掉模板,制备出具有复杂形状的超回弹石墨烯气凝胶。

青岛大学成功研制弹性石墨烯气凝胶

图1以三聚氰胺泡沫作为模板,制备超回弹石墨烯气凝胶的过程示意图(a);各种形状的石墨烯气凝胶(b-f)和三维组合结构的石墨烯气凝胶(g)。

该气凝胶具有超回弹性,在95%形变率下呈现出0.556 MPa的高压缩强度。该气凝胶具有优异的耐久性,在90%的形变率下,可以承受上百次的压缩-回复测试。并且样品在高温(400℃)和低温(-100℃)下均保持其超回弹特性。

青岛大学成功研制弹性石墨烯气凝胶

图2石墨烯气凝胶的力学性能表征

该石墨烯气凝胶呈现超疏水性,对于各种有机溶剂,呈现出较高的吸附效率(176-513 g g-1)。得益于样品的超回弹性、高力学性能和优异的耐热性,可以通过挤压或燃烧的方式回收或除去所吸附的溶剂,使其可以重复吸附溶剂。

青岛大学成功研制弹性石墨烯气凝胶

图3石墨烯气凝胶的吸附溶剂测试(a-d);吸附-挤出(e,g)和吸附-燃烧(f,h)循环测试。

由于石墨烯气凝胶的高导电率和优异的结构稳定性,在压缩、弯曲等变形中样品表现出稳定和灵敏的电响应,可以组装成压力/应变传感器。并且可以制成柔性可穿戴期间,直接贴于人体表面,用于检测人体腕部,手指和脉搏的运动信息。

青岛大学成功研制弹性石墨烯气凝胶

图4圆柱状石墨烯气凝胶组装成压力/应变传感器示意图(a);圆柱状石墨烯气凝胶的压缩循环测试(b-d);石墨烯气凝胶薄膜的弯曲循环测试(e);气凝胶组装成柔性可穿戴器件用来检测人体运动:手腕弯曲(f)、手指弯曲(g)、和脉搏跳动(h)。

这种制备简单、性能优异、易于形状设计的石墨烯气凝胶对于该类材料的工业化和应用拓展具有重要意义。

相关研究结果以Superelastic and Arbitrary-Shaped Graphene Aerogels with Sacrifcial Skeleton of Melamine Foam for Varied Applications为题发表在Advanced Functional Materials上。

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