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至苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域取得重要进展

发布时间:2021-11-26

苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域取得重要进展 苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域获得重要进展 时间:2017⑻⑴ 13:50:00

近期,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带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院的宋文辉教授及中国科技大学的闫立峰教授等合作,以平均直径到达220纳米的导电高份子空心球为先驱体,以氧化石墨烯为交联剂,前后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤,成功取得了1种新型的全碳气凝胶,即石墨烯交联的碳空心球气凝胶。

至苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域取得重要进展

图1 石墨烯交联的碳空心球气凝胶制备工艺线路示意图

气凝胶曾被誉为改变世界的新材料,在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极为广泛的利用前景。从结构上看,气凝胶是由零维的量子点、1维的纳米线或2维的纳米片等低维纳米结构经3维组装而成的超轻多孔纳米材料。

低维纳米结构的各种变量,如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学属性等参数,都会对取得的终气凝胶的性能产生重要影响。迄今为止,已有多种低维纳米结构组装成功能各异的气凝胶,但这些纳米结构单元的尺寸均在100纳米以下,乃至仅仅为几个纳米。对结构单元的尺寸大于100纳米的气凝胶的制备挑战巨大,这主要是由以下两方面缘由酿成的:1、气凝胶结构单元的尺寸越大,其比表面积越小。对亚微米级的结构单元,不管其为无机物还是有机物,取得的气凝胶的比桥梁有时仍有观光游船通过表面积都非常小,因此失去了日本东丽推出新质感尼龙材料salacona气凝胶比表面积大这1优良特点;2、不管纳米级结构单元之间的连接是物理作用或化学键合,随着结构单元尺寸的变大,连接处的原子占总原子数的比例会急剧下降,因此组装后的气凝胶材料会随着结构单元尺寸变大而急剧变脆。

至苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域取得重要进展

图2.石墨烯交联的碳空心球气凝胶:花瓣上的气凝胶;气凝胶的扫描电子显微镜照片;气凝胶的透射电子显微镜照片;气凝胶的氮气吸脱附曲线。

针对这1挑战,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带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院的宋文辉教授及中国科技大学的闫立峰教授等合作,以平均直径到达220纳米的导电高份子空心球为先驱体,以氧化石墨烯为交联剂,前后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤,成功取得了1宝钢600℃超超临界火机电组钢管、鞍钢3大系列核电用钢、武钢无取向硅钢、太钢0.02毫米精密带钢等在下游关键领域实现利用种新型的全碳气凝胶,即石墨烯交联的碳空心球气凝胶。交联剂石墨烯的存在,把球与球之间的点对点接触奇妙的转化为点对面接触,因此提高了终气凝胶的力学性能;空心球结构的使用,和在亚微米级空心球壳层上造出大量的微孔,保证了取得的终气凝胶具有大的比表面积;先驱体导电高份子的选择,使得终的全碳气凝胶实现了氮元素的搀杂。取得的石墨烯交联的碳空心球气凝胶具有低密度、高导电性、高比表面积、高杨氏模量等诸多优点,有望在能源、传感、催化、吸附、分离、功能复合材料等领域得到广泛利用。例如将石墨烯交联的碳空心球气凝胶作为电极材料利用在U-型热电化学池上,电池的输出功率高达1.05 W m⑵ ,其相对卡诺循环的能量转化效力高达1.4,这些数值远高于目前同类型器件的数值。

该工作为大尺寸粒子组装成气凝胶提供了很好的设计思路,解决了由亚微米结构单元制备功能性气凝胶的技术困难。相干结果发表在Nano Energy 上。这些工作得到了国家自然科学基金、科技部和中科院苏州纳米所的经费支持。

编辑点评

气凝胶曾被誉为改变世界的新材料,在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极为广泛的利用前景。研究员以氧化石墨烯为交联剂,前后通过溶通过混合喷头灌注到隔热腔内自然发泡胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤,成功取得了1种新型的全碳气凝胶,解决了由亚微米结构单元制备功能性气凝胶的技术困难,将得到广泛利用。