【科普系列】石墨烯基气凝胶微球的研究进展

文章介绍

近年来,石墨烯基气凝胶(GAs)因其低密度、高比表面积及多孔结构等优异特性被广泛研究并在诸多应用领域内表现出极大的潜力。但是传统块状石墨烯基气凝胶往往具有设备依赖性强、材料尺寸大及量化生产性差等缺点,并且忽 略了特定应用场景对材料形状尺寸的要求,从而限制了其实际应用与发展。石墨烯基气凝胶微球(GAMs)作为一种具有新颖结构的新型材料,不仅具有GAs的各种优势特征,而且具有灵活可控的尺寸及可量化生产能力等优点,大大丰富了GAMs的应用场景。目前，GAMs已广泛应用于在水污染处理、电磁波吸收、电催化等领域。

西南交通大学材料科学与工程学院孟凡彬“电磁功能材料”团队近年来致力于多壳层石墨烯基气凝胶微球结构设计与电磁次序损耗机制研究，通过精确调控微球内外壳层结构、组分和参数，实现了石墨烯基气凝胶微球宽频高效吸波功能。（Nano Research, 2018, 11, 2847; Nano Research, 2020, 13, 477; Chemical Engineering Journal, 2020, 391, 123512；Chemical Engineering Journal, 2022）

基于前期研究成果，团队受邀撰写了题为《石墨烯基气凝胶微球的研究进展》的综述。本文概述了石墨烯基气凝胶微球的独特结构与优异特性，系统性总结了近年来石墨烯气凝胶微球主要的制备方法：凝固浴交联法（图1）、静电纺丝-冷冻铸造法（图2）以及乳液法。从微观层面详细阐述了石墨烯气凝胶微球的制备原理与组装行为，深入探讨了其结构特征及性能特点与制备工艺之间的联系。在此基础上，针对各方法存在的一系列问题与挑战，提出了可能的解决方案与改进方向。此外，根据石墨烯气凝胶微球所具有的多孔道多活性位点、良好阻抗匹配和损耗能力等结构性能特点，着重介绍了其在水污染处理、电磁波吸收（图3）以及电催化等领域的先进应用。通过对不同石墨烯气凝胶微球应用的详细阐述，对比分析了不同复合体系、形态结构以及改性手段的石墨烯气凝胶微球之间的性能差异，对各领域应用所面临的挑战与前景提出了展望。

图1 喷雾辅助高温固化法制备石墨烯气凝胶微球（a）制备流程示意图；（b）~（c）石墨烯气凝胶微球低倍及高倍扫描电镜SEM图；（d）~（e）石墨烯气凝胶微球低倍及高倍透射电镜TEM图；（f）石墨烯微球在不同条件下自组装过程及机理示意图

图2 同轴静电纺丝法制备中空石墨烯基气凝胶微球（HGAS）和三轴静电纺丝法制备多腔室石墨烯基气凝胶微球（BGAS）的装置示意图及微球SEM图

图3 石墨烯基气凝胶微球用于电磁波吸收及其性能机制分析图（a）微球状石墨烯/Fe₃O₄气凝胶和块状石墨烯/Fe₃O₄气凝胶电磁波吸收机理示意图；（b）不同形态石墨烯基气凝胶吸波性能对比；（c）不同形态及比例气凝胶的损耗能力的频率依赖性；（d）中空结构石墨烯基气凝胶微球吸波机理示意图；（e）HGAS2及BGAS2吸波效能图

作者简介

李天，西南交通大学材料学院2019级硕士研究生，主要从事先进宽频吸波材料的研究，累计发表SCI一区论文10篇，以第一/共同第一作者在Nano Res.，Chem. Eng. J.，Green Chem.等期刊发表论文5篇。曾获国家奖学金，西南交大一等奖学金，优秀研究生标兵及优秀学生干部等荣誉。

孟凡彬，西南交通大学材料学院副教授，高分子系主任兼党支部书记，西南交通大学“雏鹰学者”。主要从事先进电磁防护材料设计、制备及应用和相关电磁学机理方面的研究；以第一/通讯作者在Adv. Sci.，Chem. Eng. J.，Green Chem.，Carbon等期刊发表SCI论文46篇（引用 2810次，H指数30）；主持国家自然科学基金、军委科技委、装备发展部等纵横向项目20余项。

原文出处：

石墨烯基气凝胶微球的研究进展

李天, 支丹丹, 郭子浩, 郭玮琳, 张美玲, 孟凡彬

2021, 49 (11): 14-29.

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000030