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苏州纳米所制备各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶 助力低温能源器件应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-05-13  来源:苏州纳米技术与纳米仿生研究所  浏览次数:37
5月10日,记者了解到,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员领导的气凝胶团队通过 “局部氧化刻蚀”在氧化石墨烯片层上进行造孔,获得孔洞氧化石墨烯,随后将孔洞氧化石墨烯与还原剂分散液高度浓缩,实现其液晶化,进一步经原位溶胶凝胶及超临界干燥获得各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶,如图 1 所示。

所得各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶由孔洞石墨烯片层经有序排列而成,表现出规整的三维多孔网络(规整的孔道 / 孔壁及孔壁上的大量微孔)、低密度( 42-55 mg cm -3 )、高导电性( ——165 S m -1 )、高比表面积( 537——837 m 2 g -1 )等诸多优点。最后将该气凝胶作为电极材料,辅以共晶混合物 “水 - 甲酰胺”作为低温电解液,构建出可在温度低至零下 40 ° C 的环境中正常工作的柱状低温热电化学池,表现出低离子传输阻力( 15.7 Ω )及高输出功率( 3.6 W m -2 )。当 15 个热电化学池进行串联组装成器件时,可实现 ——2.1 V 电压的稳定输出,在低温能源器件应用中表现出重要应用前景。

石墨烯气凝胶,经由石墨烯片层三维搭接、组装而来的石墨烯宏观体材料,具有三维连续多孔网络结构,表现出高比表面积、高孔隙率、优异导电性能及电化学行为,在能源存储、传感、吸附、复合材料等领域有重要应用前景。

然而,目前常规石墨烯气凝胶的三维组装以石墨烯片层间的“面 - 面”局部搭接方式为主,进而形成具有三维无规连续多孔网络。石墨烯片层间的这种“面 - 面”堆垛 - 搭接方式,是一种无规、随机组装,往往会使得部分石墨烯片层形成类石墨结构,造成石墨烯本征性能(如比表面积、力学、电学等)损失。

此外,传统石墨烯气凝胶所具有的这种无规三维多孔网络还引入高界面电阻及曲折离子通道问题,对电化学行为中的电荷 - 离子传输及有效电化学活性面积维持带来负面影响,成为制约石墨烯材料在电化学能源器件中应用的瓶颈。因此,如何设计新的石墨烯组装策略,制备高性能石墨烯气凝胶材料,仍是一个重要挑战。

据介绍,"碳海绵"具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而"碳海绵"的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。"大胃王"吃有机物的速度极快:每克这样的"碳海绵"每秒可以吸收68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油,"可以把它们撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收进来,因为有弹性,吸的油能够被压出来回收利用,'碳海绵'也可以重新使用。"科研人员表示。

目前,实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员说,"碳海绵"还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过,这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿,科学家还很难准确预计其应用领域与前景,还得依靠社会以及产业界的想象力,让这个新材料走出实验室,实现应用价值。

从最巨大的建筑到最小的零件,从最坚硬到最柔软的材料,人类一直致力于超越各种"之最"。现在,"最轻的材料"这一纪录又被科学家超越了。

之前2011年的记录是每立方厘米0.9毫克,后来在同一年被0.18毫克每立方厘米的数据刷新……现在这一纪录被浙江大学的Gao Chao教授(查了一下国内相关新闻,教授名字叫高超,吐槽名字你就输了)所制备的碳气凝胶打破,其密度仅为0.16毫克每立方厘米。

不同于一般制备气凝胶的溶胶凝胶法,他们用冷冻干燥法将纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液干燥,得到这种由碳构成的海绵状材料。

这种材料具有极高的弹性,被压缩后可以弹回原状,同时还具备极高极快的吸附能力,每一克气凝胶可以以68.8克每秒的速度吸收储存至多高达900克的油。显然,这玩意是用来吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

当然,科学家们还在努力研究这玩意的其他用途,比如电能储存、隔热、用作催化剂的载体之类的

相关成果以 “ High-Ef fi ciency Cryo-Thermocells Assembled with Anisotropic Holey Graphene Aerogel Electrodes and a Eutectic Redox Electrolyte ”为题发表在国际著名期刊《先进材料》( Advanced Materials , 2019 , 1901403 )上。博士生李广勇、硕士董大鹏及澳门大学洪果教授为论文共同第一作者,张学同研究员与英国 UCL 的宋文辉教授为论文共同通讯作者,合作者还包括中国科技大学的闫立峰教授。论文工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、英国皇家学会 - 牛顿高级学者基金等资助。

图 1 各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶基本表征:氧化石墨烯片层的透射电镜照片( a1 )及氧化石墨烯液晶的偏光显微镜照片( b1 ),孔洞氧化石墨烯片层的透射电镜照片( a2 )及氧化石墨烯液晶的偏光显微镜照片( b2 ),氧化石墨烯及孔洞氧化石墨烯片层的拉曼光谱( c ),各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶的光学照片( d )、扫描电镜照片( e , f )、力学( g )、电学( h )及比表面积数据( i )。
 

 
 
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