中國粉體網(wǎng)訊 氣凝膠曾被譽為改變世界的新材料，在航空航天,、國防等高技術(shù)領(lǐng)域及建筑,、工業(yè)管道保溫等民用領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用前景。從結(jié)構(gòu)上看,，氣凝膠是由零維的量子點,、一維的納米線或者二維的納米片等低維納米結(jié)構(gòu)經(jīng)三維組裝而成的超輕多孔納米材料。低維納米結(jié)構(gòu)的各種變量,，如幾何形狀,、尺寸、密度,、表面形貌,、化學(xué)屬性等參數(shù)，都會對最終獲得的氣凝膠性能產(chǎn)生重要影響,。
圖1 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠制備工藝路線示意圖
迄今為止,，已有多種低維納米結(jié)構(gòu)組裝成功能各異的氣凝膠，但這些納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸均在100納米以下,，甚至僅僅為幾個納米,。對于結(jié)構(gòu)單元的尺寸大于100納米（即亞微米級）的氣凝膠的制備挑戰(zhàn)巨大，這主要是由兩方面原因造成的：一是氣凝膠結(jié)構(gòu)單元的尺寸越大,，其比表面積越�,。▋烧叱煞幢汝P(guān)系）。對于亞微米級的結(jié)構(gòu)單元,，無論其為無機物（密度較高）還是有機物（密度較低）,，獲得的氣凝膠的比表面積都非常小，因而失去了氣凝膠比表面積大這一優(yōu)異特征,；二是無論納米級結(jié)構(gòu)單元之間的連接是物理作用或者化學(xué)鍵合,，隨著結(jié)構(gòu)單元尺寸的變大，連接處的原子占總原子數(shù)的比例會急劇降低,，因而組裝后的氣凝膠材料會隨著結(jié)構(gòu)單元尺寸變大而急劇變脆,。
針對這些挑戰(zhàn),，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同帶領(lǐng)的氣凝膠團隊與英國倫敦大學(xué)學(xué)院教授宋文輝及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授閆立峰等合作，以平均直徑達(dá)到220納米的導(dǎo)電高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球為前驅(qū)體,，以氧化石墨烯為交聯(lián)劑，先后通過溶膠-凝膠工藝,、超臨界流體萃取工藝,、高溫?zé)崽幚砉に嚨汝P(guān)鍵步驟（圖1），成功獲得了一種新型的全碳?xì)饽z,，即石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠（圖2）,。交聯(lián)劑石墨烯的存在，把球與球之間的點對點接觸巧妙轉(zhuǎn)化為點對面接觸,，因而提高了最終氣凝膠的力學(xué)性能,；空心球結(jié)構(gòu)的使用，以及在亞微米級空心球殼層上造出的大量微孔,，保證了獲得的最終氣凝膠具有大的比表面積,；而前驅(qū)體導(dǎo)電高分子的選擇，使得最終的全碳?xì)饽z實現(xiàn)了氮元素的摻雜,。
圖2 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠：（a）花瓣上的氣凝膠,；(b)氣凝膠的掃描電子顯微鏡照片；(c)氣凝膠的透射電子顯微鏡照片,；（d）氣凝膠的氮氣吸脫附曲線,。
研究獲得的石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠具有低密度（(51-67mg/cm3)、高導(dǎo)電性（263-695S/m）,、高比表面積（569-609m2/g）,、高楊氏模量（1.8MPa）等諸多優(yōu)點，有望在能源（捕獲,、存儲,、轉(zhuǎn)換）、傳感,、催化,、吸附、分離,、功能復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。例如，將石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠作為電極材料應(yīng)用在U-型熱電化學(xué)池上,，電池的輸出功率高達(dá)1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1),，其相對卡諾循環(huán)的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)1.4%，這些數(shù)值遠(yuǎn)高于目前同類型器件的數(shù)值,。
該工作為大尺寸粒子組裝成氣凝膠提供了很好的設(shè)計思路,，解決了由亞微米結(jié)構(gòu)單元制備功能性氣凝膠的技術(shù)難題,。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nano Energy (2017, 39, 470 - 477)上。中科院蘇州納米所碩士生董大鵬和郭海濤為該論文的共同第一作者,。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51572285,21373024）,、科技部（2016YFA0203301）和中科院蘇州納米所的經(jīng)費支持。
