新型氧化石墨烯气凝胶

悬浮于手上的气凝胶。图片来源:Wikipedia

气凝胶作为一种超轻新材料备受瞩目,有人形象地称它为“凝固的烟雾”。如果把这种材料捧在手中的话,我们除了感觉不到它的重量外,恐怕也会考虑它是否“牢固可靠”。这的确是一个值得思考的问题,由于气凝胶内部为多孔结构,这在一定程度上降低了其力学性能。此外,在气凝胶设计与制备的过程中,研究人员往往忽视了制备成品的化学活性,这就导致了大多数气凝胶的通病——“化学惰性”。

来自北京理工大学材料学院的张学同教授以氧化石墨烯为二维组装基元模型,发展不同于部分堆叠的边对边(edge-to-edge)组装方式,获得了新型的气凝胶材料。张教授所在的课题组长期从事气凝胶的材料设计、合成及应用性能研究,他们在前期石墨烯气凝胶的研究工作中(Journal of Materials Chemistry, 2011, 21, 6494-6497;2012, 22, 8767-8771;2012, 22, 22090-22096;Carbon, 2011, 49, 4314-4321)发现,二维的石墨烯均是通过片层与片层的部分堆叠(partial overlapping)的方式组装成三维气凝胶材料的,此种堆叠方式往往造成其比表面积较低。该问题促使他们寻找区别于部分堆叠的新型组装方式。追寻的结果是便是氧化石墨烯,它不仅是典型的二维材料,而且在其边缘和侧面上均有大量的化学官能团,因而可用开发新型气凝胶材料。

在为期一年多的实验中,张教授的课题组发现了一些“意料不到”的实验结果。例如,获得的氧化石墨烯气凝胶的力学性能居然比石墨烯气凝胶还要好。在接受本网站访谈时,张教授说:“在开展工作之初,我们主要考虑能否利用氧化石墨烯边缘丰富的羧基基团,把不同的氧化石墨烯边缘连接起来,实现edge-to-edge的连接。最容易想到的办法是利用具有多氨基的小分子化合物或者高分子化合物与羧基的静电相互作用,或者利用多价的金属离子与羧基的配位作用,来连接氧化石墨烯。但在试验中我们发现,无论采用何种方式混合氧化石墨烯溶胶和交联剂时,立即发生氧化石墨烯不均匀的析出。这主要是氧化石墨烯与交联剂之间反应太快造成的。因此,如何‘钝化’上述的交联反应,成为我们研究工作的核心内容。通过文献调研我们发现,通过控制反应体系的pH值,可以解决这一问题。因此,在制备凝胶之初,我们调节氧化石墨烯溶液的pH值至8.0以上,然后混合氧化石墨烯溶液和交联剂溶液,以保证非常均匀的混和溶胶的获得;然后再利用葡萄糖酸内酯的缓慢水解,把混合体系的pH值回调到原始值,以达到可控的实现氧化石墨烯edge-to-edge的交联,并得到高质量的氧化石墨烯水凝胶,作为制备其气凝胶的前驱体。”

论文的合成工作主要是有黄欢(第一作者)和卢赟博士(第四作者)共同完成的;陈鹏万教授(第二作者)在气凝胶的力学测量方面做出了重要的贡献;詹万初研究员(第五作者)则负责水凝胶的超临界干燥;张学同教授(通讯作者,第三作者)则提供了论文的整体思路,并组织和撰写全文。

虽然该研究中获得的氧化石墨烯气凝胶的比强度很高,但其绝对强度还比较低。因此,如何提高氧化石墨烯气凝胶的绝对强度,将是张教授下一步研究工作的重点。此外,张教授还表示,氧石墨烯气凝胶由于具有超轻、超强化学反应活性等特点,最可能的发展方向主要有两个:第一,作为一种超级气体吸附材料,将对汽车尾气的净化、电厂、煤厂等含硫有害气体的脱除、降低大气环境(特别是室内)的VOC含量方面发挥举足轻重的作用;第二,氧化石墨烯气凝胶作为一种原材料,通过恰当的化学反应,获得其它功能性的气凝胶产物。

Xu Guangchen About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。