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青岛科技大学张建明教授课题组:兼具韧性、超轻和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯气凝胶
2019-12-31  来源:高分子科技

  石墨烯气凝胶在能量存储、环境修复和高性能传感器等方面显示了潜在的应用,但是石墨烯气凝胶的易脆性阻碍了其商业化应用。研究表明高分子可以增韧石墨烯气凝胶,但是增韧的同时不可避免的增大了石墨烯气凝胶的密度,损失了石墨烯气凝胶本质的超轻特性,如何实现兼具韧性与超轻性能石墨烯气凝胶的制备仍然是一个挑战。2019年初,青岛科技大学张建明教授课题组研究人员在石墨烯气凝胶制备领域及其工业化取得重要进展,实现了以氧化石墨烯液晶包裹的空气泡为模板绿色制备具有低密度,超弹性, 耐疲劳等诸多优点的石墨烯气凝胶(ACS Applied Materials& Interfaces,2019,11(1):1303-1310)。

  近期,基于空气泡模板法,该课题组经过工艺优化,将天然胶乳成功地复合到了石墨烯气凝胶的孔壁上,大大增加了石墨烯气凝胶的韧性,同时维持了石墨烯气凝胶超低的密度,进一步推进了石墨烯气凝胶的工业化生产。该杂化石墨烯气凝胶(GA/NRL)不仅具有超低密度(4.6 mg cm-3)、良好的韧性,同时具有仿玫瑰花表面的石墨烯璧,使其具有类似的性质,如其疏水接触角可达131.8°,且能粘附水滴。并且天然胶乳颗粒的加入使得石墨烯璧更加粗糙,大大提高了石墨烯气凝胶的光热转化能力。

图1。 (A) 天然胶乳杂化石墨烯气凝胶的制备过程。(B)GO天然胶乳混合溶液发泡后偏光图。(C)GA/NRL-0。5的横切面SEM图。(D)GA/NRL-0.5璧SEM图。(E)玫瑰花表面的SEM图。

  图1展示了天然胶乳/石墨烯杂化气凝胶的制备过程。该制备过程通过简单的溶液共混、搅拌发泡、冷冻以及常压干燥步骤,获得了仿生表面的杂化气凝胶。

图2. (A) 大块GA/NRL-0.5。(B)GA/NRL-0.5纵横界面SEM图。(C)GA/NRL-0.5杂化石墨烯璧SEM图。(D)GA/NRL-0.5的璧横截面SEM图。(E)GA胶/NRL-0。5的璧横截面SEM图。(F)GA/NRLs热失重曲线。

  形态研究表明,天然胶乳粒子均匀的负载到了气凝胶的孔璧上。通过对其单个璧的观察可以看到还原的石墨烯片层将NRL包裹形成了三明治结构(图2)。

图3. (A) 石墨烯气凝胶以及GA/NRL-0.5韧性表示。(B)GA/NRL-0.5韧性机理研究。(C)超声前后石墨烯气凝胶和GA/NRL-0。5的图片。(D)GA/NRL-0.5不同压缩比下应力-应变曲线。(E)GA/NRL-0.5 90%应变多次压缩曲线。(F)GA/NRL-0.5的拉伸曲线。

  天然胶的复合,显著的增加石墨烯气凝胶的柔韧性(图3)。同时天然胶乳的加入,并没有影响石墨烯气凝胶良好的回强性,最大压缩比可达90%。

图4. (A) GA/NRL-0.5天然胶乳颗粒表面SEM图。(B)GA/NRL-1接触角图片。(C)GA/NRL-1粘附水滴图片。(D,E)GA/NRL-1集水前后图。(F,G)GA/NRL-1循环集水图。(H)不同湿度下GA/NRL-1集水曲线。(I)GA/NRL-1循环集水曲线。

  所制杂化气凝胶表面的形态非常类似于玫瑰花表面的凸起,其表面有许多褶皱。这种特殊的结构赋予其既具有很好的疏水性能,又具有良好的粘附水滴的能力(图4)。粘附的水滴可以经过挤压的方法榨出。这种集水的能力根据环境湿度的不同具有较大的差异。

图5. (A) 石墨烯气凝胶与GA/NRL-0.5的光热转化能力。(B)石墨烯气凝胶与GA/NRL-0.5光热转化时温度对时间的变化曲线。(C)GA/NRL-0。5集水之后在不同温度下释放水曲线。(D,E)GA/NRL-0.5集水后光照前后图。

  另外,当复合了天然胶乳之后,所得石墨烯气凝胶的光热转化能力大大增强(图5),这不仅和其表面的粗糙有关,同时还和复合了天然胶乳之后其导热性降低有关。利用这种材料集水之后通过光照作用能够很好的将水蒸发出,以再次收集起来。

  以上成果发表在《ACS Applied Materials& Interfaces》的期刊上,影响因子为8.456。题为《Tough, Ultralight, and Water-Adhesive Graphene/Natural Rubber Latex Hybrid Aerogel with Sandwichlike Cell Wall and Biomimetic Rose-Petal-like Surface》,第一作者为青岛科技大学高分子院博士生张晓方。通讯作者为青岛科技大学高分子院张建明教授段咏欣教授

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(责任编辑:xu)
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