团队首次获得单分散石墨烯气凝胶微球
  石墨烯气凝胶微球是具有石墨烯三维多孔结构的气凝胶微球,继承了石墨烯、气凝胶及多孔微球的独特结构,且表现出石墨烯的高电导率、气凝胶的高孔隙率及突破常规多孔微球性能的极限,在药物缓释、超吸附、能源存储、催化、功能复合粒子等领域具有重要应用前景。石墨烯气凝胶微球的制备是在微液滴内进行的氧化石墨烯前驱体溶胶-凝胶自组装的一个过程,对制备工艺、实验参数要求较高,且涉及微液滴的可控制备、如何避免微液滴间的融合、如何避免凝胶时的溶剂挥发及后续干燥时如何克服体积收缩等一系列挑战。由于氧化石墨烯的溶胶-凝胶过程本质上是石墨烯片层的三维搭接、堆垛,所获得的湿凝胶力学性能差,故目前常见的气凝胶微球的制备方法,如注射法、乳液法和喷雾法等,均不适用于制备单分散多功能石墨烯气凝胶微球。


  针对石墨烯气凝胶微球制备过程中存在的上述问题及挑战,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员领导的团队提出了一种石墨烯气凝胶微球制备的新策略:电磁阀操控式喷墨打印-液体弹珠-超临界流体萃取的组合策略,并成功制备得到单分散、尺寸可控的石墨烯气凝胶微球,如图1所示。首先,使用氧化石墨烯水分散液作为前驱体,采用喷墨打印技术制备单分散的前驱体微液滴;随后利用液体弹珠技术实现对液滴的操纵及形状维持,即将氧化石墨烯液滴打印在氧化硅气凝胶微粉中;之后将氧化石墨烯液体“弹珠”置于密闭环境中长时间静置,获得石墨烯水凝胶微球;最后经超临界干燥获得单分散的石墨烯气凝胶微球。该石墨烯气凝胶微球尺寸离散系数在4.9-6.4%之间,并具有良好的滚动性、高的比表面积、高的孔隙率、良好的导电性及优异的疏水性。


  针对石墨烯气凝胶微球所具有的优势,进一步研究了其在倾斜开关、液位开关及相变复合材料中的应用:1)、石墨烯气凝胶微球倾斜开关在100次测试中故障率仅有商用品的1/4,显示出良好的稳定性;2)、石墨烯气凝胶微球液位开关不仅性能稳定,且尺寸和重量仅为商用液位开关的0.026*10-6倍,为智能开关的小型化和轻量化指明了方向;3)、在石墨烯气凝胶微球中填充相变材料,制备得到多功能、单分散的相变复合微球(石墨烯气凝胶-石蜡复合微球),该复合微球对热量有着极高的敏感性,0.027 J的热量可使其发生固-液相变并伴随电阻突变,可承受恒电流、低频交流电和高频交流电的冲击,保护接入电路的正常稳定工作,起到热流稳定器的作用。


  上述工作为单分散、多功能气凝胶微球及功能复合微球的制备及应用提供了很好的设计思路,解决了气凝胶微球单分散性差、尺寸不易控制等技术难题。相关成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(47), 41323(DOI:10.1021/acsami.7b13969)以及物理化学学报(2017, 33(11), 2141-2152)上。


  这些工作得到国家自然科学基金(51572285, 21373024, 21404117)和科技部(2016YFA0203301)的经费支持。


      图1、电磁阀操控式喷墨打印-液体弹珠-超临界流体萃取的组合策略及石墨烯气凝胶微球、相变复合微球的制备示意图(a-b)。其中(c-d)为石墨烯气凝胶微球的SEM图片,(e-f)为石墨烯气凝胶相变微球的SEM图片。
(供稿人 李广勇)