曲良体：重构氧化石墨烯液晶实现石墨烯气凝胶的大规模制备

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石墨烯气凝胶作为近年来最具吸引力的碳材料之一，在储能转换、环境修复、高性能传感器、超轻型阻燃剂、电磁干扰屏蔽、吸声、高效太阳热转换等领域显示出巨大的潜力。制备超轻石墨烯气凝胶的方法和工艺，包括化学气相沉积、溶液冷冻干燥、溶胶-凝胶法、模板介导的溶液组装和3D打印等。在以往的研究中，溶胶-凝胶法和空气干燥法被认为是实现超弹性（>90%应变）和超低密度（小于10 mg cm-3）石墨烯气凝胶的低成本、大规模商业化生产的重要方法。化学还原或交联驱动的氧化石墨烯（GO）的凝胶化过程是其中的关键步骤。液晶（LC）相通常在GO水分散体中自发形成，当不存在特殊控制时，其通常显示常规的向列相或层状相。不幸的是，向列相或层状相GO LCs在微观上有序，但宏观上是严重无序，尤其是大尺寸（e.g. 米级尺寸），这将严重破坏大尺寸样品石墨烯水凝胶的均匀性和完整性，进一步阻碍了干燥后大块石墨烯气凝胶的成功制备。因此，建立适合工业应用的方法制备大尺寸、结构完整的石墨烯气凝胶仍然是一个重大挑战。

近日，在曲良体教授团队的带领下，北京理工大学与清华大学合作，开发了一种表面活性剂发泡溶胶-凝胶法，通过微泡模板有效地破坏和重建分散体系中的GO LCs，从而获得大尺寸、结构完整的石墨烯水凝胶块(GHB)。经过简单冷冻和风干后，得到的石墨烯气凝胶块（GAB）表现出结构完整的尺寸约为1 m2，超弹性高达99％压缩应变，超低密度2.8 mg cm-3，具有快速的太阳能热转换能力。此外，由六氯环三磷腈（HCTP）改性的GAB，在空气中显示出735℃的高分解温度（Tmax），比来自相同空气中的高温金属（e.g. 镍、铜）泡沫的温度降低速率快得多。这些优异的性能使GABs在许多实际应用中具有潜力，例如可以作为高压缩力吸收器、高吸油或危险溶剂的吸收材料、快速加热器或控制遮蔽物的优质太阳能热管理材料以及高效的耐火保温材料。整个制备过程易于扩展，具有成本效益，适用于大规模生产。相关成果以题为“Reconstruction of Inherent Graphene Oxide Liquid Crystals for Large-Scale Fabrication of Structure-Intact Graphene Aerogel Bulk toward Practical Applications”发表在了ACS Nano上。

总之，本工作开发了表面活性剂发泡溶胶-凝胶法，然后采用空气干燥技术制备结构完整的GABs，其尺寸高达约1 m2，具有超弹性（高达99％的应变），超低密度（低至2.8 mg cm-3），快速的太阳热转换能力，空气中的高热分解温度（Tmax=735℃），以及低储热能力。通过微泡作为模板有效重建GO LCs是获得大尺寸和结构完整的GHBs和GABs的关键步骤。具有优异性能和大尺寸的最终GABs在实际应用中具有很大的潜力，如高压缩力吸收器（力= > 700 N），高吸收材料油或危险溶剂（容量= 260-570倍的重量），优异的太阳能集热管理材料和超轻型耐火材料。整个制备过程易于扩展且具有成本效益，可用于大规模制备石墨烯气凝胶，以满足实际应用。

文献链接：Reconstruction of Inherent Graphene Oxide Liquid Crystals for Large-Scale Fabrication of Structure-Intact Graphene Aerogel Bulk toward Practical Applications（ACS Nano，2018，DOI：10.1021/acsnano.8b06380）