综述！冰模板石墨烯气凝胶的研究进展：制造、性能和应用

1成果简介

石墨烯一直是探索最广泛的二维 （2D） 组件之一，因为它具有高各向异性和强碳-碳键的独特特性，具有出色的机械、电气和热性能。气凝胶具有超低密度和超高比表面积的特点，是领先的多孔材料。因此，石墨烯和气凝胶的整合将促进多功能多孔材料的发展。在气凝胶的各种制备方法中，冰模板因其作为物理过程的环保性质、跨材料系统的广泛适用性以及构建丰富的多功能结构的熟练程度而受到极大的关注。因此，冰模板技术已成为将石墨烯纳米片高效组装成气凝胶的一种流行技术，这种气凝胶具有石墨烯的遗传特性、不同成分的多功能性以及良好的结构控制。

在这篇综述中，浙江大学柏浩 教授、高微微 副教授等在《ACS Appl. Mater. Interfaces 》期刊发表名为“Advances in Ice-Templated Graphene Aerogels: Fabrication, Properties, and Applications”的综述，作者系统总结了冰模板石墨烯基气凝胶的发展和进展。首先，我们介绍了这些气凝胶的制备过程，详细阐述了从前驱体制备到冷冻、干燥和后处理的各个步骤。随后，我们展示了具有各种宏观架构和微观结构的冰模板石墨烯气凝胶的多功能应用。最后，这篇综述以一个简单明了的总结作为结束，强调了与冰模板化制备石墨烯基气凝胶相关的挑战和机遇。这篇关于石墨烯气凝胶的系统综述旨在为具有多尺度结构和多功能性的创新气凝胶的设计和冰模板制备提供新的见解，这对各种工程应用至关重要。

2图文导读

2. 冰模板石墨烯基气凝胶的基本程序

冰模板石墨烯基气凝胶的制造过程通常包括四个关键步骤：前驱体制备、冷冻、干燥和后处理（图 2）。最初，石墨烯分散体被模塑成多种形式，例如悬浮液、水凝胶和油墨;随后，前驱体被冷冻，石墨烯纳米片被生长的冰晶排出并组装。冰晶的形态可以通过调整温度场和冷表面的特性来控制。冷冻过程完成后，所得的整体进行冷冻干燥或自然干燥，产生高孔隙率的石墨烯气凝胶，该凝胶保持其宏观体积并复制冰晶的形态。在最后阶段，通常会进行后处理;例如，可以采用热还原或化学还原来消除石墨烯纳米片表面的含氧基团，从而增强石墨烯气凝胶的弹性。因此，制造过程中的每一步都会对所得石墨烯气凝胶的微观结构和性能产生深远影响，强调了精确控制工艺每个步骤的重要性。

图2.冰模板石墨烯基气凝胶的制造过程。

3. 冰模板石墨烯基气凝胶的宏观结构

凭借这种多功能和可扩展的工艺，冰模板已被广泛用于制造具有各种宏观结构的石墨烯基气凝胶，例如球体、纤维和薄膜。石墨烯基气凝胶宏观结构的丰富可设计性为各种复杂场景中涉及机械、电子和热管理的应用提供了广泛的选择。例如，专注于具有群效应的小型化应用，已经开发了基于石墨烯的气凝胶球。

图3.制备具有各种宏观结构的冰模板石墨烯气凝胶。

4. 冰模板石墨烯基气凝胶的各种特性

冰模板石墨烯基气凝胶将石墨烯卓越的机械强度、导电性和热性能与气凝胶的超低密度和超高表面积协同作用，实现精确设计的分层架构，以实现机械、电气烫的和传质性能。

图4.冰模板石墨烯基气凝胶的水传输。

3小结

本文系统总结了冰模板石墨烯基气凝胶的发展和进展，主要集中在前驱体制备、冷冻、干燥和后处理等制备过程，以及具有各种宏观结构和微观结构的石墨烯基气凝胶的多功能应用。具体来说，冷冻过程是制造过程中的关键步骤。一方面，许多因素，如冰晶的冻结温度和生长速度、悬浮液浓度、添加剂、尺寸和GO纳米片的表面基团，可以直接影响冰晶的生长，并进一步定制石墨烯气凝胶的孔壁结构。另一方面，可以通过控制温度场来纵冰晶的定向生长，从而形成石墨烯气凝胶的多尺度微观结构。此外，我们详细介绍了自然干燥过程，该过程基于石墨烯支架的强化和通过还原GO纳米片的含氧基团来降低毛细管力，为大规模生产冰模板石墨烯基气凝胶铺平了一条可行的路线，以促进实际应用。凭借成熟的制造工艺，冰模板石墨烯基气凝胶已在与机械、电子和热管理相关的应用中得到广泛探索，例如压阻式传感器、储能、EMI 屏蔽、极端条件下的隔热和太阳能蒸汽产生。

尽管进行了广泛的研究和快速的进展，但冰模板石墨烯基气凝胶仍然存在一些挑战。

（1） 前驱体制备。高质量的石墨烯纳米片具有尺寸均匀、缺陷最小和机械坚固性等特点，对于制造具有多尺度结构的高性能冰模板石墨烯基气凝胶非常重要，但相关的高成本阻碍了所得石墨烯气凝胶的实际应用。将石墨烯特性相关的系统研究 （e.g.、缺陷密度、横向尺寸）可以指导具有成本效益的材料选择，补充正在进行的开发可扩展剥离技术的努力。

（2） 冷冻过程。已经发现，不同的添加剂可以影响冰模板石墨烯基气凝胶的孔壁，但其潜在机制仍然未知，这将影响孔壁结构的精确控制。高级原位表征 （e.g.，冷冻电子显微镜）与分子动力学模拟相结合，可以揭示实时结晶动力学和添加剂介导的组装过程，从而实现精确的结构控制。

（3） 干燥过程。目前的自然干燥过程是基于加强孔隙以抵抗毛细管力，但这种方法损害了气凝胶材料的柔韧性和轻质性。对溶剂去除过程中孔壁变形的机理理解对于开发保持结构完整性的替代干燥方案至关重要。

（4） 性能与应用。冰模板石墨烯基气凝胶的一些结构-功能关系很少被研究。例如，石墨烯气凝胶弹性的微观结构起源需要通过结合原位 SEM 压缩测试和有限元分析来绘制多尺度孔隙中的应力分布进行研究。同样，将孔排列与热和电各向异性相关联的系统研究可以解锁定制的特性工程。

总之，尽管冰模板石墨烯基气凝胶在广泛的潜在应用中表现出前所未有的性能和功能优势，但仍需要进一步研究。

　　文献：
https://doi.org/10.1021/acsami.5c01179

　　来源：材料分析与应用