捷克科学院物理研究所Jiří Červenka等–泡沫石墨烯的高温耐火性能和自熄性能

保护材料免受火灾的能力对许多工业应用和生命安全系统至关重要。尽管各种化学处理和保护涂层已被证明是有效的阻燃剂，但它们只是暂时的预防措施，因为它们不会改变给定材料的固有可燃性。在这项研究中，我们证明，微结构的简单改变可以显著提高原子薄材料的耐火性，远远高于其氧化稳定性温度。我们表明，在三维（3D）蜂窝网络中排列的独立石墨烯层表现出与放置在基底上的石墨烯层完全不同的可燃性和燃烧速率。共价交联的多孔石墨烯气凝胶可以在1500°C的空气中抵抗火焰一分钟，而不会降低其结构或性能。相比之下，衬底上的石墨烯在550°C以上立即点燃，并在几秒钟内燃烧殆尽。拉曼光谱、X射线光电子能谱和热重分析研究表明，多孔石墨烯的优异阻燃和自熄性能源自防止羰基缺陷形成和捕获孔隙中不可燃二氧化碳气体的能力。我们的研究结果为理解石墨烯在3D结构/组件中的阻燃机理提供了重要信息，可用于增强碳基材料的阻燃性、防止火灾和限制火灾损害。

图1.使用丙烷火焰对SiO₂上的石墨烯气凝胶和单层石墨烯进行阻燃测试。（a） 石墨烯气凝胶与丙烷火焰相互作用50秒的演示。（b）SEM显微照片显示了石墨烯气气凝胶暴露于丙烷火焰50秒和120秒前后的相同斑点（MLG）。（e）石墨烯气凝胶和（f）SiO₂上的石墨烯在经受丙烷火焰前后的拉曼光谱。

图2.石墨烯气凝胶在不同类型火焰中的阻燃性和燃烧行为。（a） 燃烧实验中使用的不同火焰的图示。（b） 当石墨烯气凝胶暴露于氢火焰时，使用红外（IR）相机进行热成像。（c） 石墨烯气凝胶暴露于不同火焰后的体积变化。（d） 石墨烯气凝胶和单层石墨烯在SiO₂上的燃烧速率与温度和火焰类型的关系。

图3.使用异丙醇火焰（IPAF）对SiO₂上的石墨烯气凝胶和单层石墨烯进行阻燃测试。（a） 暴露于IPAF 60分钟的石墨烯气凝胶的光学、IR和SEM图像。（c） 暴露于IPAF不同时间段的SiO₂上单层石墨烯的光学图像和（d）拉曼光谱。

图4.暴露于丙烷和IPA火焰的石墨烯气凝胶的XPS分析。（a） 暴露于丙烷火焰的石墨烯气凝胶的C1s和（b）O1s光谱。（c） 暴露于丙烷火焰的石墨烯气凝胶中碳和不同氧键浓度随时间的变化。（d） 暴露于IPAF的石墨烯气凝胶的C1s和（e）O1s光谱。（f） 暴露于IPAF前后石墨烯气凝胶中碳和不同氧键浓度的变化。

图5. 不同气氛下石墨烯气凝胶的TGA。（a） 石墨烯气凝胶在不同氧浓度的Ar气氛中的TGA和（b）DTGA图。（c） 石墨烯气凝胶在不同氧气浓度的CO₂气氛中的TGA和（d）DTGA图。（e） 石墨烯气凝胶样品在含有空气/CO₂混合物的反应室中在W加热元件上加热的光学图像。（f） 石墨烯气凝胶在不同CO₂浓度的空气中随温度变化的质量损失。

图6.多孔石墨烯气凝胶的阻燃和燃烧机制示意图。它显示了基于孔隙中CO₂捕获的气相阻燃机制，这导致石墨烯气凝胶中氧含量的降低。右侧的示意图显示了耐火阶段（第1阶段）和燃烧阶段（第2阶段）火焰暴露前后独立石墨烯的原子模型。

相关研究成果由捷克科学院物理研究所Jiří Červenka等人2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09076)上。原文：High-Temperature Fire Resistance and Self-Extinguishing Behavior of Cellular Graphene。