從最高大的建筑到最細小的零件，從最堅硬到最柔軟的材料，人類一直致力于超越各種“之最”。最近小編在學習產(chǎn)業(yè)新聞時發(fā)現(xiàn)關(guān)于世界上最輕固體材料—石墨烯氣凝膠這一塊報道的比較多，那何為石墨烯氣凝膠？石墨烯氣凝膠的主要應用領(lǐng)域有哪些？今天就由小編和大家一起分享所學內(nèi)容。

何為石墨烯氣凝膠？

石墨烯是一種由碳原子以sp2 雜化軌道組成六角蜂巢晶格的二維碳納米材料。其厚度僅為0.33nm，是世界上最薄的的二維材料。這種特殊結(jié)構(gòu)使其在電學、光學、熱學和機械性能等方面表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì)。

“氣凝膠”這一概念是在1931年由美國斯坦福大學的 Samuel Stephens Kistler 提出的，通過超臨界干燥的方法成功制備了多孔的SiO2材料，這也是世界上第一個納米多孔的三維固體材料，具有大比表面積、高孔隙率及超低密度等特性。

石墨烯氣凝膠（GA）是以石墨烯為材料，經(jīng)組裝、搭接形成的三維結(jié)構(gòu)的材料，同時是具有互聯(lián)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維宏觀體材料，也被稱為“石墨烯泡沫”、“石墨烯海綿”或者“石墨烯宏觀體”，是目前世界上已知的最輕固體材料。除具有石墨烯的性質(zhì)穩(wěn)定、高導電率、良好的熱導率、機械強度較高等優(yōu)點，還繼承了氣凝膠的低密度、高孔隙率、高比表面積等特點。在組裝、搭接過程中，通過調(diào)節(jié)石墨烯氣凝膠的結(jié)構(gòu)，可制備不同特性的材料，使其具備優(yōu)異的電學性能、良好的熱學性能、高機械強度、高彈性、吸附能力強等特點。

石墨烯氣凝膠主要應用領(lǐng)域有哪些？

石墨烯氣凝膠因其獨特的性質(zhì)，在傳感器、電能儲能裝置、吸附、催、電磁屏蔽等領(lǐng)域有著重要的應用前景。下面小編就最近學習的石墨烯氣凝膠用于個人熱管理、電磁屏蔽、超級電容器的內(nèi)容進行總結(jié)如下。

1.個人熱管理材料

AFM：《Nature-Inspired Solar-Thermal Gradient Reduced Graphene Oxide Aerogel-based Bilayer Phase Change Composites for Self-Adaptive Personal Thermal Management》

盡管用于日常環(huán)境的個人熱管理（PTM）材料被廣泛研究，但在復雜和戶外場景中具有出色可行性的多功能PTM材料的探索仍處于起步階段。北京化工大學楊冬芝教授、于中振教授團隊受大氣溫度調(diào)節(jié)效應的啟發(fā)，提出了一種具有“能量調(diào)節(jié)”和“能量逆補償”特性的太陽熱梯度還原氧化石墨烯（RGO）氣凝膠基雙層相變復合材料（GRGC）的自適應PTM應用設(shè)計。

通過整合RGO的光熱能轉(zhuǎn)換能力、氣凝膠/十八烷雙層結(jié)構(gòu)的熱調(diào)控與內(nèi)部獨特的梯度RGO框架，以及十八烷的潛熱補償，雙層GRGC可以作為一種高效的PTM器件，緩解惡劣環(huán)境下人體皮膚的劇烈溫度變化。這種多功能PTM裝置不僅可以通過太陽能熱轉(zhuǎn)換，氣凝膠隔熱和相變潛熱釋放的協(xié)同作用，在-5°C的寒冷環(huán)境中保持溫暖的皮膚表面微氣候，而且還通過其相變行為和隔熱性提供有效的熱緩沖以防止高溫環(huán)境中的熱療。這種梯度和雙層設(shè)計為制造用于惡劣環(huán)境中應用的自適應PTM器件開辟了一條新途徑。

2.電磁屏蔽干擾材料

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展和普及，與之而來的電磁干擾已成為嚴重的社會問題。盡管主流科學界認為這對人體健康的影響微乎其微，但卻削弱了電子儀器的性能和可靠性。電磁屏蔽材料可以抑制電磁波的輻射和干擾，進而保證電子設(shè)備的正常運行。石墨烯氣凝膠憑借著其良好的導電性及內(nèi)部復雜的多孔的微觀結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)電磁波的反射從而表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽性能。

AMT：《Structure Control of Large-Sized Graphene Foams for Outstanding Microwave Absorption, Thermal Insulation, and Mechanical Stability》

華東理工大學莫潤偉特聘教授、王健農(nóng)特聘教授等研究提供了一種面向三維石墨烯泡沫（GFs）的多功能設(shè)計。通過簡單的冷凍和風干結(jié)構(gòu)集成的氧化石墨烯（GO）水凝膠來制備大尺寸的泡沫，并引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）來加強GO的框架。顯著的發(fā)現(xiàn)GF/PDMS復合材料在雷達微波的整個頻率范圍內(nèi)（2-18GHz）擁有強大的寬帶吸收（反射損耗<-10dB）。這歸因于GO材料本身介電損耗的協(xié)同效應和多孔泡沫結(jié)構(gòu)帶來的多層衰減。驗結(jié)果還表明，輕質(zhì)泡沫具有非常低的導熱性，為0.03-0.13 W m-1 k-1，并具有壓縮、伸展和扭轉(zhuǎn)的機械靈活性。因此，本研究為大規(guī)模生產(chǎn)應用于民用和軍用領(lǐng)域的多功能微波吸收泡沫材料提供了一個新的策略。

Carbon：《Construction of multi-dimensional NiCo/C/CNT/rGO aerogel by MOF derivative for efficient microwave absorptio》

西安工業(yè)大學Yan Wang等研究員成功獲得了一種用一維碳納米管（CNTs）和金屬有機骨架（MOF）衍生物修飾的多維石墨烯基氣凝膠（NiCo/C/CNT/rGO氣凝膠），在填料負載為58 wt%時，厚度為8.20 mm，有效吸收帶寬為1.8 GHz，覆蓋整個Ku波段，可實現(xiàn)?7.6 dB的最佳電磁波吸收性能。優(yōu)異的電磁波吸收性能可歸因于阻抗匹配、電磁衰減能力、獨特的多維多孔結(jié)構(gòu)、豐富的缺陷和界面的協(xié)同效應。本工作為多維輕質(zhì)磁介質(zhì)微波吸收體的合成提供了一種新方法。

3.超級電容器

JCIS：《S/N-codoped carbon nanotubes and reduced graphene oxide aerogel based supercapacitors working in a wide temperature range》

在眾多的超級電容器電極材料中，碳材料因其大的比表面積、良好的導電性和高經(jīng)濟效益而被廣泛使用。然而，碳基超級電容器面臨著能量密度低和工作環(huán)境有限的挑戰(zhàn)。遼寧科技大學Zhenjie Lu等研究報告了一種簡單的自組裝方法來制備三維碳納米管/還原氧化石墨烯（CNTs/rGO）氣凝膠材料，該材料被應用于對稱超級電容器的正負電極。所制備的超級電容器不僅在室溫下，而且在極端溫度下（-20～80℃）也表現(xiàn)出突出的電容性能。基于CNTs/rGO的重量比為2:5的對稱超級電容器在以KOH為電解質(zhì)的情況下，在25℃和80℃時的比電容分別達到107.8和128.2Fg-1，在以深共晶溶劑為電解質(zhì)的情況下，在-20℃和60℃時的比電容分別為80.0和144.6Fg-1。值得注意的是，在廣泛的溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過20000次充放電測試，組裝的超級電容器的電容保持率和庫侖效率幾乎沒有變化。這項工作為開發(fā)在極端溫度下靈活操作的高性能超級電容器提供了可能性。

盡管目前對于石墨烯氣凝膠的組裝制備和性能調(diào)控仍存在不足，但隨著石墨烯氣凝膠制備方法的不斷改善及應用領(lǐng)域的深入研究，石墨烯氣凝膠材料將會迎來更好的發(fā)展。

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