浙大高微微课题组：综述-弹性石墨烯气凝胶的设计、制备和应用

成果简介

石墨烯气凝胶具有超低密度、超弹性、高比表面积和优异的热稳定性等独特性能，在过去的几十年中取得了巨大的进展。特别是，超弹性石墨烯气凝胶为开发先进的能源设备、压力传感器、污染物吸附剂、电磁波屏蔽和吸收材料等提供了一个备受关注的平台。

本文，浙江大学高超、高微微课题组《J POULT SCI》期刊发表名为“A review on elastic graphene aerogels: Design, preparation, and applications”的综述，首先介绍和讨论了各种制造技术，并比较了它们的优缺点，重点介绍了无模板组装工艺和模板辅助组装工艺。然后，总结了影响石墨烯气凝胶压缩性和弹性的因素，包括构建块的固有特性、组成材料和结构设计，以及它们的广泛应用。最后，讨论了该领域目前面临的挑战和未来的前景。

图1、弹性石墨烯气凝胶及其制备方法、关键影响因素及应用。

图文导读

2 .1弹性石墨烯气凝胶的制造工艺

基于GO制备石墨烯气凝胶，因为它的含氧基团可以防止薄片重新堆叠并形成均匀的分散体。使用GO胶体悬浮液作为前体是一种以具有成本效益的方式实现石墨烯气凝胶大规模生产的有前途的方法。自组装 GO 纳米片成 3D 多孔结构是制造弹性石墨烯气凝胶的一般步骤。驱动力通常依赖于氢键、范德华力等，因此出现了多种制备 3D 网络的方法，如水热还原、化学还原、交联方法。通常，无模板和模板辅助组装是制造 3D 石墨烯多孔材料的最典型方法。

图2、(A-C) 水热还原法。(D, E) 化学还原法。 (F) 二价阳离子对 GO 纳米片的交联。 (G) 聚合物辅助自组装。

2.2 影响石墨烯气凝胶超弹性的3个关键因素

石墨烯气凝胶的可压缩性和弹性主要由三个因素决定：构建块的内在特性、混合材料和多孔网络的结构设计。由弱范德华相互作用构建的石墨烯气凝胶通常表现出较差的机械性能。引入异质组分，如聚合物、碳纳米管和陶瓷，是增强细胞壁内片间相互作用和促进细胞单元之间有效负载转移的有效方法，从而产生具有优异可压缩性和弹性的高性能石墨烯基气凝胶.

图3、通过冰模板技术大规模制备不同形状的UFA，如棒、圆柱、纸和立方体石墨烯气凝胶。

2.3 结构设计

结构设计是决定石墨烯气凝胶力学性能的另一个关键因素。合理的结构设计赋予石墨烯气凝胶高压缩性和弹性，如蜂窝状结构、层状结构、负泊松比结构等。

图4、层状结构图示

2.4应用

2.4.1 传感器

基于超弹性石墨烯的气凝胶具有作为压力和应变传感器的巨大潜力，在智能机器人、运动检测、人机交互等方面发挥着重要作用。

2.4.2 电磁波吸收与干扰屏蔽

随着电子通讯技术的飞速发展，现代电子产品会产生严重的电磁辐射，对人体健康有害。非常需要高性能电磁 (EM) 波吸收和干扰 (EMI) 屏蔽材料来保护人们免受辐射污染。具有可控电导率和多孔网络的弹性石墨烯气凝胶作为电磁功能材料具有巨大的潜力，可有效吸收和屏蔽电磁波。

2.4.3 储能与转换

近年来，可穿戴电子设备需要具有高能量密度的灵活可靠的存储系统。具有超弹性和优异导电性的石墨烯气凝胶已被开发为可穿戴电化学电子设备的柔性电极。高理论能量密度使锌空气电池（ZABs）成为一种有吸引力的可穿戴电化学电子设备

2.4.4 污染吸附剂

石油泄漏和工业废水污染已成为严重的环境问题，不仅污染生态系统，而且危害人类。石墨烯气凝胶由于其多孔网络和高表面积而具有作为吸附材料的巨大潜力，可以将油与水分离.

小结与展望

近年来，超弹性石墨烯气凝胶因其优异的性能而备受关注。本综述总结了弹性石墨烯气凝胶的制备方法、影响力学性能的关键因素和应用的最新进展。尽管弹性石墨烯气凝胶取得了很大进展，但仍有一些挑战需要解决。目前，超临界干燥和冷冻干燥技术的实验周期较长、产量低、成本高。这些障碍限制了石墨烯气凝胶的实际应用，因此需要进一步开发成本相对较低且可重复的大规模制备技术。

石墨烯基气凝胶的可压缩性和弹性受到构建块的内在特征（薄片尺寸、表面官能团等）、组成材料和结构设计的显著影响。因此，优化石墨烯片材性能、选择合适的杂化组分和设计合理的结构对于获得具有理想机械性能的石墨烯气凝胶至关重要。首先，需要开发新的策略来获得具有可控生长和更少缺陷的高质量石墨烯构建单元。其次，建筑单元之间的连接结构，如管状结构，可以提高结构的稳定性。第三，微结构的合理构造可以限制石墨烯气凝胶在屈曲/断裂引起的大载荷下的不可逆变形，这对于理解它们的结构-性能关系和有效地为目标应用定制它们的性能也至关重要。此外，孔径和壁厚的控制对于多孔网络至关重要，应根据实际应用进行设计。因此，应实施模拟和建模分析（如有限元方法）来指导具有适当孔径和壁厚的微结构设计，以获得优异的力学性能。

此外，石墨烯气凝胶表现出优异的机械性能，具有低密度、高孔隙率和其他独特特性（例如导电性、高吸附能力）等丰富优势。因此，它们在传感、能量存储和转换、EMI屏蔽、油/水分离等各个方面获得了广泛的工业应用的极大兴趣。3D多孔结构还可以与智能柔性设备集成，使其具有长期稳定性和高效性能。特别是，柔性可穿戴设备在恶劣环境中需要机械弹性，这有助于开发高弹性和稳定的石墨烯基气凝胶的新工艺和方法。

文献：

https://doi.org/10.1002/pol.20220179