当前位置: 首页 » 碳业资讯 » 碳业科普 » 正文

【科普】石墨烯气凝胶——世界上最轻的固态材料

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-03-30  浏览次数:74
核心提示:导读 石墨烯气凝胶:世界上最轻的固态材料。高弹性,吸附性强。每1克能吸收900克的汽油,是处理海洋污染的吸油神器。吸完滤出
 导读

石墨烯气凝胶:世界上最轻的固态材料。高弹性,吸附性强。每1克能吸收900克的汽油,是处理海洋污染的吸油神器。吸完滤出来可以接着用。

来源

2013年3月19日讯;浙大高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质,取名碳海绵;。它是目前世界上已知的最轻固体材料。这一成果被权威科学杂志《自然》在研究要闻;栏目中重点配图评论(2013年2月28日的第494期404页)。相关论文于2013年2月18日在线发表在材料科学界权威的学术杂志《先进材料》(Advanced Materials)上。

高超教授说,碳海绵;是一种气凝胶――世界上最轻的一类物质,它的内部有很多孔隙,充满空气。

2011年,美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶,密度为0.9毫克/立方厘米,是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上,蒲公英茸毛几乎没变形。

高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶――碳海绵;。碳海绵;每立方厘米重0.16毫克,比氦气还要轻,约是同体积大小氢气重量的两倍。从目前公开的报道看,碳海绵;是世界上最轻的固体。

在浙大实验室,有不少大小不等的碳海绵;,大的像网球,小的像酒瓶塞,灰不溜秋,摸上去很有弹性。

高教授说,碳海绵;可任意调节形状,弹性也很好,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力,是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而碳海绵;能吸收250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。

碳海绵;这一特性可用来处理海上原油泄漏事件――把碳海绵;撒在海面上,就能把漏油迅速吸进来,因为有弹性,吸进的油又挤出来回收,碳海绵也可以重新使用。

另外,碳海绵;还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料,有广阔前景。

发展

浙江大学实验室诞生全碳气凝胶,密度仅为空气的六分之一


微信图片_20190330171335

这么大体积可以轻松放在麦穗上面。

浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶——它刷新了目前世界上最轻材料的纪录,弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6。日前,这一进展被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。

据介绍,气凝胶是入选吉尼斯世界纪录的最轻的一类物质,因其内部有很多孔隙,充斥着空气,故而得名。1931年,美国科学家用二氧化硅制得了最早的气凝胶,外号 “凝固的烟”。2011年,美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶,密度为0.9毫克/立方厘米,创下了当时最轻材料的纪录。把这种材料放在蒲公英花朵上,柔软的绒毛几乎没有变形——这张照片入选了《自然》杂志年度十大图片,也给高超留下了深刻印象:能不能制备出一种材料,挑战这个极限?

我国的石墨储备非常丰富,占全世界的2/3。科学家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨变成石墨烯(一种由碳原子构成的单层片状结构),其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索,制备出了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。这次,他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一纪录。

制作简便——形状、尺寸可任意调节,大规模制造成可能 

在实验室,记者看到了一个个大小不等的“碳海绵”:它们大的如网球,小的如酒瓶塞。在电子显微镜下,碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙。

“就像体育场馆等大型空间结构,用钢筋做支架,用高强度的薄膜等做墙壁,材料整体既轻且强。”课题组博士生孙海燕说,“在这里,碳纳米管就是支架,石墨烯就是墙壁。”

在已报道的成果中,高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者——可达到0.16毫克/立方厘米,低于氦气的密度。相关论文2月18日在线发表在《先进材料》上。但课题组对申报吉尼斯世界纪录兴趣不大,“‘轻’并不是它最大的新意所在”。高超解释:它的价值在于其简便的制备方法,以及材料所展现出来的优越性能。

科学家介绍说,气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂,让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中,科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成,但是可控性差;后者能产生有序的结构,但依赖于模板的精细结构和尺寸,难以大量制备。高超课题组另辟蹊径,探索出无模板冷冻干燥法:将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干,便获得了“碳海绵”,并且可以任意调节形状,令生产过程更加便捷,也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

“不需要模板,只与容器有关。容器多大,就可以制备多大,可以做到上千立方厘米,甚至更大。”高超说。

性能优越——高弹性、强吸附,应用前景广阔 

《自然》杂志点评的标题是:《固体碳:弹性而轻盈》,认为这一新生事物的性能令人惊喜。

据介绍,“碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快:每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油,“可以把它们撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收进来,因为有弹性,吸的油能够被压出来回收利用,‘碳海绵’也可以重新使用。”科研人员表示。

目前,实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员说,“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过,这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿,科学家还很难准确预计其应用领域与前景,还得依靠社会以及产业界的想象力,让这个新材料走出实验室,实现应用价值。 [3-4]

世界最轻材料:石墨烯气凝胶

从最巨大的建筑到最小的零件,从最坚硬到最柔软的材料,人类一直致力于超越各种“之最”。现在,“最轻的材料”这一纪录又被科学家超越了。

之前2011年的记录是每立方厘米0.9毫克,后来在同一年被0.18毫克每立方厘米的数据刷新……现在这一纪录被浙江大学的Gao Chao教授(查了一下国内相关新闻,教授名字叫高超,吐槽名字你就输了)所制备的碳气凝胶打破,其密度仅为0.16毫克每立方厘米。

不同于一般制备气凝胶的溶胶凝胶法,他们用冷冻干燥法将纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液干燥,得到这种由碳构成的海绵状材料。

这种材料具有极高的弹性,被压缩后可以弹回原状,同时还具备极高极快的吸附能力,每一克气凝胶可以以68.8克每秒的速度吸收储存至多高达900克的油。显然,这玩意是用来吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

当然,科学家们还在努力研究这玩意的其他用途,比如电能储存、隔热、用作催化剂的载体之类的

制备方法

一种高强度氧化石墨烯气凝胶的制备方法,其特征在于包括以下过程:
1)将氧化石墨烯粉末与去离子水配成浓度为0.1-10mg/ml水溶液,超声震荡0.1-5小时,得到分散良好的氧化石墨烯水溶液;
2)将配置好的氧化石墨烯水溶液取10-500ml加入水热釜中,90-200℃温度下处理1-24小时,制备出氧化石墨烯水凝胶;
3)将制备出的氧化石墨烯水凝胶放入氨水中,0-150℃,浸泡1-36小时,冷冻干燥,得到高强度的氧化石墨烯气凝胶。本发明的优点在于,制备方法简单,在氧化石墨烯气凝胶的制备基础上,经过简单的氨水处理即可提高其机械强度,能耗低无污染,配合其微观多孔结构,在吸附和催化方面具有很大的应用前景。

 
 
[ 碳业资讯搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论

 
推荐图文
推荐碳业资讯
点击排行