石墨烯氣凝膠

石墨烯氣凝膠是一種高強度氧化氣凝膠，具有高彈性、強吸附的特點，套用前景廣闊。

基本介紹

• 中文名：石墨烯氣凝膠
• 製備方法：90-200℃溫度下處理1-24小時
• 碳海綿：用來處理海上原油泄漏事件
• 特點：高彈性、強吸附，套用前景廣闊

來源

2013年3月19日訊;浙大高分子系高超教授的課題組製造出一種超輕物質，取名碳海綿;。它是目前世界上已知的最輕固體材料。這一成果被權威科學雜誌《自然》在研究要聞;欄目中重點配圖評論(2013年2月28日的第494期404頁)。相關論文於2013年2月18日線上發表在材料科學界權威的學術雜誌《先進材料》(Advanced Materials)上。

高超教授說，碳海綿;是一種氣凝膠――世界上最輕的一類物質，它的內部有很多孔隙，充滿空氣。

2011年，美國科學家合作製造了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，是當時最輕的固體材料。把這種材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛幾乎沒變形。

高超課題組這些年一直從事石墨烯巨觀材料的研發。他們用石墨烯製造出了氣凝膠――碳海綿;。碳海綿;每立方厘米重0.16毫克，比氦氣還要輕，約是同體積大小氫氣重量的兩倍。從目前公開的報導看，碳海綿;是世界上最輕的固體。

在浙大實驗室，有不少大小不等的碳海綿;，大的像網球，小的像酒瓶塞，灰不溜秋，摸上去很有彈性。

高教授說，碳海綿;可任意調節形狀，彈性也很好，被壓縮80%後仍可恢復原狀。它對有機溶劑有超快、超高的吸附力，是已被報導的吸油力最強的材料。現有吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而碳海綿;能吸收250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。

碳海綿;這一特性可用來處理海上原油泄漏事件――把碳海綿;撒在海面上，就能把漏油迅速吸進來，因為有彈性，吸進的油又擠出來回收，碳海綿也可以重新使用。

另外，碳海綿;還可能成為理想的儲能保溫材料、催化劑載體及高效複合材料，有廣闊前景。

發展

浙江大學實驗室誕生全碳氣凝膠，密度僅為空氣的六分之一

這么大體積可以輕鬆放在麥穗上面。

浙江大學高分子系高超教授的課題組製備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。日前，這一進展被《自然》雜誌在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。

據介紹，氣凝膠是入選金氏世界紀錄的最輕的一類物質，因其內部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。1931年，美國科學家用二氧化矽製得了最早的氣凝膠，外號 “凝固的煙”。2011年，美國HRL實驗室、加州大學歐文分校和加州理工學院合作製備了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創下了當時最輕材料的紀錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形——這張照片入選了《自然》雜誌年度十大圖片，也給高超留下了深刻印象：能不能製備出一種材料，挑戰這個極限？

我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3。科學家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構成的單層片狀結構），其價值可以上升數千倍。”高超的課題組經過五六年的探索，製備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。這次，他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來衝擊這一紀錄。

製作簡便——形狀、尺寸可任意調節，大規模製造成可能　在實驗室，記者看到了一個個大小不等的“碳海綿”：它們大的如網球，小的如酒瓶塞。在電子顯微鏡下，碳納米管和石墨烯共同支撐起無數個孔隙。

“就像體育場館等大型空間結構，用鋼筋做支架，用高強度的薄膜等做牆壁，材料整體既輕且強。”課題組博士生孫海燕說，“在這裡，碳納米管就是支架，石墨烯就是牆壁。”

在已報導的成果中，高超課題組製備的“碳海綿”仍是最輕紀錄保持者——可達到0.16毫克/立方厘米，低於氦氣的密度。相關論文2月18日線上發表在《先進材料》上。但課題組對申報金氏世界紀錄興趣不大，“‘輕’並不是它最大的新意所在”。高超解釋：它的價值在於其簡便的製備方法，以及材料所展現出來的優越性能。

科學家介紹說，氣凝膠的基本製備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往製備氣凝膠的案例中，科學家主要採用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；後者能產生有序的結構，但依賴於模板的精細結構和尺寸，難以大量製備。高超課題組另闢蹊徑，探索出無模板冷凍乾燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍乾，便獲得了“碳海綿”，並且可以任意調節形狀，令生產過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規模製造和套用成為可能。

“不需要模板，只與容器有關。容器多大，就可以製備多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”高超說。

性能優越——高彈性、強吸附，套用前景廣闊　《自然》雜誌點評的標題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認為這一新生事物的性能令人驚喜。

據介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%後仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報導的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。這讓人想到用它來處理海上的漏油，“可以把它們撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收進來，因為有彈性，吸的油能夠被壓出來回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用。”科研人員表示。

目前，實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的套用性研究。科研人員說，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效複合材料。不過，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學家還很難準確預計其套用領域與前景，還得依靠社會以及產業界的想像力，讓這個新材料走出實驗室，實現套用價值。

世界最輕材料：石墨烯氣凝膠

從最巨大的建築到最小的零件，從最堅硬到最柔軟的材料，人類一直致力於超越各種“之最”。現在，“最輕的材料”這一紀錄又被科學家超越了。

之前2011年的記錄是每立方厘米0.9毫克，後來在同一年被0.18毫克每立方厘米的數據刷新……現在這一紀錄被浙江大學的Gao Chao教授(查了一下國內相關新聞，教授名字叫高超，吐槽名字你就輸了)所製備的碳氣凝膠打破，其密度僅為0.16毫克每立方厘米。

不同於一般製備氣凝膠的溶膠凝膠法，他們用冷凍乾燥法將納米碳纖維和石墨烯的混合溶液乾燥，得到這種由碳構成的海綿狀材料。

這種材料具有極高的彈性，被壓縮後可以彈回原狀，同時還具備極高極快的吸附能力，每一克氣凝膠可以以68.8克每秒的速度吸收儲存至多高達900克的油。顯然，這玩意是用來吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

當然，科學家們還在努力研究這玩意的其他用途，比如電能儲存、隔熱、用作催化劑的載體之類的

製備方法

一種高強度氧化石墨烯氣凝膠的製備方法，其特徵在於包括以下過程：1）將氧化石墨烯粉末與去離子水配成濃度為0.1-10mg/ml水溶液，超聲震盪0.1-5小時,得到分散良好的氧化石墨烯水溶液；2）將配置好的氧化石墨烯水溶液取10-500ml加入水熱釜中，90-200℃溫度下處理1-24小時，製備出氧化石墨烯水凝膠；3）將製備出的氧化石墨烯水凝膠放入氨水中，0-150℃，浸泡1-36小時，冷凍乾燥，得到高強度的氧化石墨烯氣凝膠。本發明的優點在於，製備方法簡單，在氧化石墨烯氣凝膠的製備基礎上，經過簡單的氨水處理即可提高其機械強度，能耗低無污染，配合其微觀多孔結構，在吸附和催化方面具有很大的套用前景。