高度排列石墨烯氣凝膠，用于多功能復合材料最新進展！

1**成果簡介 **

石墨烯源于獨特的面內蜂窩狀晶格結構和sp2雜化碳原子，通過異常強的碳-碳鍵鍵合，表現出顯著的各向異性電學、機械學和熱學性能。為了最大限度地利用石墨烯的面內特性，已經設計了預構建和對齊的結構，例如取向氣凝膠、薄膜和纖維。高度排列的石墨烯氣凝膠具有取向結構、高表面積、優異的導電性、機械穩定性、導熱性和多孔性的獨特組合，可以在特定方向上定制和增強性能，從而在不同領域取得進步。

本文，北京科技大學****伍英、香港中文大學（深圳）理工學院鄭慶彬 助理教授、北京化工大學材料科學與工程學院于中振 教授等在《Nano-Micro Lett》期刊發表名為“Highly Aligned Graphene Aerogels for Multifunctional Composites”的論文，綜述了高度排列的石墨烯氣凝膠及其復合材料的最新進展。它重點介紹了取向石墨烯氣凝膠的制備方法和取向優化，可以從定性和定量上進行估計。定向支架賦予石墨烯氣凝膠及其復合材料各向異性特性，在犧牲垂直方向的情況下，沿排列顯示出增強的電學、機械和熱學特性**。綜述了石墨烯氣凝膠及其復合材料的卓越性能和應用，例如它們在電子、環境應用、熱管理和儲能方面的適用性。提出了挑戰和潛在機遇，為該材料的前景提供了新的見解。**

2圖文導讀

石墨烯氣凝膠的制備

為了制造高度排列的石墨烯氣凝膠，研究人員開發了幾種合成方法，如圖1所示。

（i）定向冷凍鑄造方法涉及以受控方式冷凍石墨烯分散體。冰晶充當模板，在冷凍鑄造過程中強制對齊。定向凍結可以精確控制對準方向和復雜的結構，同時需要仔細控制凍結條件。通過定向冷凍鑄造排列的石墨烯氣凝膠的形態高度依賴于溫度梯度的方向和強度。

（ii）自組裝技術利用了GO液晶（LC）固有的取向特性，當GO片懸浮在溶劑中并由于其各向異性特性而自發排列時形成。這是一種可能大規模制備石墨烯氣凝膠的簡單方法，而遠距離取向是困難的。

（iii）剪切誘導取向依靠機械力來對齊石墨烯片。通過使GO色散受到剪切力（例如旋轉或振蕩剪切力），片材沿流動方向對齊。強制裝配一般與水熱處理相結合，以保持對準。剪切誘導對準是可擴展且直接的，因為它不需要專門的模板，而實現對準程度和方向的精確控制具有挑戰性。

圖1、高度排列石墨烯氣凝膠制備應用最廣泛的技術總結

2.2 各向異性

構成石墨烯晶格的碳原子通過穩健的共價鍵錯綜復雜地連接，形成彈性的二維結構框架。由于原子結構和鍵合，石墨烯表現出固有的各向異性，這導致高度排列的石墨烯氣凝膠中具有各向異性。當石墨烯片在氣凝膠結構內排列時，石墨烯性質的方向依賴性延伸到氣凝膠結構。石墨烯特性固有的這種方向依賴性與氣凝膠的交叉在一起，從而賦予了特定方向的品質。由于對準，氣凝膠的機械、電氣、熱、傳輸、EMI 屏蔽和其他特性沿不同方向受到顯著影響。

圖2、高度取向石墨烯氣凝膠及其復合材料的各向異性性能

3**小結 **

總之，本綜述重點介紹了高度排列的石墨烯氣凝膠及其復合材料的最新進展，強調了其獨特的結構特征、表征、性能和潛在應用。借助定向冷凍鑄造技術、GO LC 前驅體的自組裝和機械剪切，制備出了具有高度定向壁和多孔通道的石墨烯氣凝膠。利用掃描電子顯微鏡觀察、掃描電子顯微鏡圖像的取向分布分析、偏振拉曼光譜和 X 射線散射，可以對石墨烯構件的排列進行定性和定量分析。有序排列的石墨烯氣凝膠充分利用了二維石墨烯薄片顯著的面內機械、電學和熱學特性，在機械、電學、熱傳輸和電磁干擾屏蔽特性方面表現出各向異性（沿特定方向的性能更好，而犧牲了橫向方向的性能）。對齊支架具有超彈性、超壓縮性和抗疲勞性，使對齊石墨烯氣凝膠成為壓力和壓縮應變壓電傳感的理想材料。石墨烯氣凝膠及其復合材料的各向異性導熱性使其可用于各種與熱有關的應用，如太陽能熱能傳輸/存儲、太陽能蒸汽、熱導體和熱絕緣體。高度排列的石墨烯基氣凝膠中定向多孔通道的毛細管效應使其在有機溶劑/油吸收方面大有可為。此外，它們在電化學裝置和電磁干擾屏蔽等應用中也表現出優勢。主要挑戰和可能的解決方案如下：

(i) 高度配向石墨烯氣凝膠領域的主要挑戰之一是開發可擴展、可控制和具有成本效益的制造技術，以可靠地實現和保持所需的配向水平。雖然在對齊結構的制造方面已經取得了重大進展，但許多現有技術在可擴展性和成本效益方面受到限制，阻礙了它們在更大范圍內的實際應用。持續的研究工作側重于優化制造工藝和探索創新方法，如多步驟工藝或結合不同配準方法的混合技術，這些都是有貢獻的。采用機器人系統和自動化質量控制進行精確處理、配準和組裝過程，也能提高效率、降低勞動力成本并提高可重復性。

(ii)GO 懸浮液目前被用作制造石墨烯氣凝膠的前驅體，但還原過程通常涉及苛刻的化學處理或高溫退火，這對于部分恢復石墨烯的優異特性是必要的。這就限制了石墨烯氣凝膠產品的整體質量和大規模制造。開發高質量、大尺寸的石墨烯構件和有效的功能化技術，以確保良好的分散性和兼容性，為推進排列整齊的石墨烯氣凝膠帶來了巨大希望。改進剝離參數以減少缺陷、最大化橫向尺寸并更好地控制層數，可獲得具有所需特性的石墨烯薄片。用化學基團或功能分子對石墨烯薄片的特定區域進行選擇性功能化（例如，功能化石墨烯邊緣和結晶良好的平面），可提高石墨烯的分散性、穩定性和與各種基質的相容性，同時將石墨烯的優異內在特性保持在最高水平，有利于進一步增強排列整齊的石墨烯氣凝膠基材料。

(iii) 整合高配位石墨烯氣凝膠基材料的多功能性 通過整合多功能性來生產一體化器件是促進其實際應用的有效途徑之一。通過在單一材料或器件中集成多種功能，可以更高效、更有效地解決廣泛的應用問題。高度排列的石墨烯氣凝膠具有獨特的性能，如高比表面積、優異的機械強度、各向異性的熱導率和電性能，因此是多功能集成的理想候選材料。例如，在對齊石墨烯氣凝膠材料中集成傳感和致動功能。將傳感元件集成到氣凝膠結構中，可用于應變或壓力傳感應用。此外，配向石墨烯氣凝膠還具有優異的機械性能，可作為致動器材料對溫度或濕度變化等外部刺激做出響應。這些多功能材料可以在智能結構、機器人和可穿戴設備中找到應用。




審核編輯：劉清