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青島科技大學張建明教授課題組:兼具韌性、超輕和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯氣凝膠

石墨烯氣凝膠在能量存儲、環境修復和高性能傳感器等方面顯示了潛在的應用,但是石墨烯氣凝膠的易脆性阻礙了其商業化應用。研究表明高分子可以增韌石墨烯氣凝膠,但是增韌的同時不可避免的增大了石墨烯氣凝膠的密度,損失了石墨烯氣凝膠本質的超輕特性,如何實現兼具韌性與超輕性能石墨烯氣凝膠的制備仍然是一個挑戰。2019年初,青島科技大學張建明教授課題組研究人員在石墨烯氣凝膠制備領域及其工業化取得重要進展,實現了以氧化石墨烯液晶包裹的空氣泡為模板綠色制備具有低密度,超彈性, 耐疲勞等諸多優點的石墨烯氣凝膠(ACS Applied Materials& Interfaces,2019,11(1):1303-1310)。

近期,基于空氣泡模板法,該課題組經過工藝優化,將天然膠乳成功地復合到了石墨烯氣凝膠的孔壁上,大大增加了石墨烯氣凝膠的韌性,同時維持了石墨烯氣凝膠超低的密度,進一步推進了石墨烯氣凝膠的工業化生產。該雜化石墨烯氣凝膠(GA/NRL)不僅具有超低密度(4.6 mg cm-3)、良好的韌性,同時具有仿玫瑰花表面的石墨烯璧,使其具有類似的性質,如其疏水接觸角可達131.8°,且能粘附水滴。并且天然膠乳顆粒的加入使得石墨烯璧更加粗糙,大大提高了石墨烯氣凝膠的光熱轉化能力。

青島科技大學張建明教授課題組:兼具韌性、超輕和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯氣凝膠

圖1. (A) 天然膠乳雜化石墨烯氣凝膠的制備過程。(B)GO天然膠乳混合溶液發泡后偏光圖。(C)GA/NRL-0.5的橫切面SEM圖。(D)GA/NRL-0.5璧SEM圖。(E)玫瑰花表面的SEM圖。

圖1展示了天然膠乳/石墨烯雜化氣凝膠的制備過程。該制備過程通過簡單的溶液共混、攪拌發泡、冷凍以及常壓干燥步驟,獲得了仿生表面的雜化氣凝膠。

青島科技大學張建明教授課題組:兼具韌性、超輕和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯氣凝膠

圖2. (A) 大塊GA/NRL-0.5。(B)GA/NRL-0.5縱橫界面SEM圖。(C)GA/NRL-0.5雜化石墨烯璧SEM圖。(D)GA/NRL-0.5的璧橫截面SEM圖。(E)GA膠/NRL-0.5的璧橫截面SEM圖。(F)GA/NRLs熱失重曲線。

形態研究表明,天然膠乳粒子均勻的負載到了氣凝膠的孔璧上。通過對其單個璧的觀察可以看到還原的石墨烯片層將NRL包裹形成了三明治結構(圖2)。

青島科技大學張建明教授課題組:兼具韌性、超輕和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯氣凝膠

圖3. (A) 石墨烯氣凝膠以及GA/NRL-0.5韌性表示。(B)GA/NRL-0.5韌性機理研究。(C)超聲前后石墨烯氣凝膠和GA/NRL-0.5的圖片。(D)GA/NRL-0.5不同壓縮比下應力-應變曲線。(E)GA/NRL-0.5 90%應變多次壓縮曲線。(F)GA/NRL-0.5的拉伸曲線。

天然膠的復合,顯著的增加石墨烯氣凝膠的柔韌性(圖3)。同時天然膠乳的加入,并沒有影響石墨烯氣凝膠良好的回強性,最大壓縮比可達90%。

青島科技大學張建明教授課題組:兼具韌性、超輕和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯氣凝膠

圖4. (A) GA/NRL-0.5天然膠乳顆粒表面SEM圖。(B)GA/NRL-1接觸角圖片。(C)GA/NRL-1粘附水滴圖片。(D,E)GA/NRL-1集水前后圖。(F,G)GA/NRL-1循環集水圖。(H)不同濕度下GA/NRL-1集水曲線。(I)GA/NRL-1循環集水曲線。

所制雜化氣凝膠表面的形態非常類似于玫瑰花表面的凸起,其表面有許多褶皺。這種特殊的結構賦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(圖4)。粘附的水滴可以經過擠壓的方法榨出。這種集水的能力根據環境濕度的不同具有較大的差異。

青島科技大學張建明教授課題組:兼具韌性、超輕和粘附水性能的仿玫瑰花表面的石墨烯氣凝膠

圖5. (A) 石墨烯氣凝膠與GA/NRL-0.5的光熱轉化能力。(B)石墨烯氣凝膠與GA/NRL-0.5光熱轉化時溫度對時間的變化曲線。(C)GA/NRL-0.5集水之后在不同溫度下釋放水曲線。(D,E)GA/NRL-0.5集水后光照前后圖。

另外,當復合了天然膠乳之后,所得石墨烯氣凝膠的光熱轉化能力大大增強(圖5),這不僅和其表面的粗糙有關,同時還和復合了天然膠乳之后其導熱性降低有關。利用這種材料集水之后通過光照作用能夠很好的將水蒸發出,以再次收集起來。

以上成果發表在《ACS Applied Materials& Interfaces》的期刊上,影響因子為8.456。題為《Tough, Ultralight, and Water-Adhesive Graphene/Natural Rubber Latex Hybrid Aerogel with Sandwichlike Cell Wall and Biomimetic Rose-Petal-like Surface》,第一作者為青島科技大學高分子院博士生張曉方。通訊作者為青島科技大學高分子院張建明教授段詠欣教授

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b18948

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