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石墨烯气凝胶获得最轻材料吉尼斯世界纪录!
更新时间:2017-06-29 浏览数:

2017-06-29  来源:石墨烯咨询

 

小烯导读

近日消息,3D打印的石墨烯气凝胶材料被吉尼斯世界纪录公司宣布为“世界上密度最小的的材料”。该材料密度只有0.5毫克每立方厘米,各项性能非常优秀,可广泛应用于柔性驱动器、柔性机器人、传感器、可变形电极材料、药物传输和投放、超轻隔热保温及防护材料等。

 

 

气凝胶是一种用途广泛的物质,是世界上密度最小的固体,密度仅为3千克每立方米。这种海绵状的物体也是绝佳的热与光学绝缘体,据了解,近年来利用3D打印机就可以制造出这种凝胶。在各种气凝胶中,石墨烯气凝胶是关注度最高的一种,因为它可以应用在电子部件的电池和触媒中。


3D打印石墨烯气凝胶的正方形样品非常轻便,可以挂在麦芒上而不会弯曲。该材料 被吉尼斯世界纪录公司宣布为世界上最轻的3D打印材料。


近日消息,3D打印的石墨烯气凝胶材料被吉尼斯世界纪录公司宣布为世界上最轻的3D打印材料。该材料密度是如此之小,可以安全放在花瓣或棉花上。该材料是由美国堪萨斯州立大学工业与制造系统工程助理教授林东、布法罗大学工业与系统工程助理教授Chi Zhou和兰州大学副教授张强强共同制备的。


石墨烯气凝胶轻如鸿毛


吉尼斯世界纪录将石墨烯气凝胶命名为“密度最小的的3D打印结构材料”。 3D打印石墨烯气凝胶密度只有0.5毫克每立方厘米。研究人员于2016年2月制备了材料,并得到了吉尼斯世界纪录的正式认可。他们的成就将在“吉尼斯世界纪录2018版”中亮相。


“石墨烯是一种革命性的材料,它的气凝胶形式也同样重要,”林说。“我们研发的的3D打印石墨烯气凝胶各项性能非常优秀,可广泛应用于柔性驱动器、柔性机器人、传感器、可变形电极材料、药物传输和投放、超轻隔热保温及防护材料等。


石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性,在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。


3D打印石墨烯的工艺同样具有开创性


堪萨斯州立大学工业与制造系统工程助理教授林东持有三维印刷石墨烯气凝胶样品,吉尼斯世界纪录公司将其称为“密度最小的3D打印材料”。


制备工艺过程


该项研究的3D打印石墨烯气凝胶材料具有开创性,而且制备工艺同样具有开创性。研究人员使用两个喷嘴的改进型喷墨打印机,他们在冷藏柜中将3D石墨烯氧化物和水混合物的液滴印刷在零下20摄氏度的冷板上。这种方法创造出石墨烯和冷冻水的3D冰结构,这有助于石墨烯保持其形状。当打印完成时,研究人员将3-D材料放在冷冻干燥器中,通过提供高真空和低温环境来除去冰,剩下的就是是三维石墨烯气凝胶材料,可以在室温下保持其形状。使用这种方式制作出来的3D打印石墨烯气凝胶密度在0.5-10毫克每立方厘米,具有相当高的电导系数和压缩系数。


这种全新方式的关键就在于冻结铸造法与3D打印的结合,打印过程中的温度为-25°C,在这么低的温度下,每一层沉积物会快速冻结,研发团队便可建造一个氧化石墨烯冰制支撑结构(冰制制成结构是由另外一台装入水的打印机打印出来的),然后每一层新的沉积层都会融化掉下面冰冻的顶部,这就使得石墨烯可以在再次冰冻之前自由结合。这种刺激氢键形成的步骤大大提高了3D打印的结构完整性。


石墨烯气凝胶的应用


石墨烯三维结构三维结构的实现也让他们在水处理,催化剂,隔热,微控驱动,电学器件,传感等各个方向存在潜在应用。但真正接近工业级的几乎没有,最大的原因还是太贵。


1.   水处理

石墨烯气凝胶有很好的亲油性,而且由于其超弹性和多孔性,可用于海洋费油处理等。超低的密度赋予了它单克吸附油品高达几百克的优异性能,而且后续无论是通过挤压或者燃烧除去油品,整个气凝胶结构保持完好使其能够可持续使用。图片源于(JMCA, 2014,2,2934-2941)


2.   催化剂载体

上海交大的冯新亮教授通过在气凝胶中负载上四氧化三铁纳米粒子,最后发现负载上四氧化三铁纳米粒子的气凝胶的催化剂性能优于单纯的四氧化三铁纳米粒子,这其实是可以预见的(JACS, 2012, 134: 9082-9085)。因为气凝胶材料的多孔性(>99%)和大比较面积,当催化剂颗粒均匀负载在气凝胶上时,实际参与反应的催化剂与反应物的接触面积是大于单纯的纳米颗粒的。气凝胶的作用相当于纳米颗粒从堆叠的变为分散的。也就是说气凝胶可以很好的作为催化剂的一种载体或者说是固定剂。


3.   传感器

长春应用化学所陈卫研究员提出了基于石墨烯气凝胶载体的SnO2颗粒用于空气中NO2气体监测的应用(Analytical Chemistry,2015, 87,1638-1645)。原理如下:SnO2(半导体)在还原性气体氛围下导电性增加,在氧化性气体氛围下导电性减弱,但目前SnO2的一些缺点限制了其应用,例如室温下导电性差,基于SnO2的气体传感器工作温度高(H2:170-200℃,CO: 200℃),合成过程中SnO2容易团聚导致性能降低等。而利用石墨烯气凝胶作为载体,然后负载上SnO2颗粒后几乎完美地解决了这些问题,首先导电性得到很大提高,其次阻止了其团聚,连工作温度都下降到了50℃,使得在常温下应用成为可能。这其中也是利用了石墨烯气凝胶具有较好的导电性。