新加坡国立大学《ACS NANO》：通过共混纺辅助冷冻铸造的可定制弹性多功能石墨烯气凝胶

成果简介

石墨烯气凝胶因其独特的物理特性而备受关注，但其较差的机械特性和功能性的缺乏阻碍了其先进应用。本文，新加坡国立大学Yong Yang、Wei Zhai等研究人员在《 ACS Nano》期刊发表名为“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”的论文，研究提出了一种混合-纺丝辅助冷冻铸造（BSFC）策略，将颗粒改性碳纤维加入石墨烯气凝胶中，以实现机械强化和功能增强。这种方法为创造可定制的多材料、多尺度结构石墨烯气凝胶提供了极大的自由度。例如，我们制造了碳化硅颗粒改性碳纤维增强石墨烯（SiC/CF-GA）气凝胶。所制备的气凝胶具有超轻、高弹性、抗疲劳压缩（50%应变下1000次循环）等优异性能。

同时，增强的弹性激发了 SiC/CF-GA 气凝胶的有效应变传感能力，其灵敏度高达13.8 kPa-1。由于加入了碳化硅颗粒，气凝胶的介电性能可调，因此具有宽带（8.0 GHz）有效电磁波衰减性能。此外，还可以通过 BSFC 策略在石墨烯气凝胶中加入不同的颗粒，从而实现可定制的设计。此外，改性气凝胶还具有多功能性，包括吸音、隔热、防火和防水，进一步丰富了其实用性。因此，BSFC 策略为制造改性石墨烯气凝胶的先进功能应用提供了定制解决方案。

图文导读

图1. (a) 混合-纺丝辅助冷冻铸造 (BSFC) 策略示意图。(b) TEM 图像显示嵌入纤维并被皱褶石墨烯片包裹的碳化硅颗粒。(c) 由交错的 SiC/CF 加固的改性石墨烯片的微观结构。(d) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的 XRD 图。(e) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的拉曼光谱。SiC/CF-GA 1:1 气凝胶 (f) 纵向和 (g) 横向的 SEM 图像。光学图像显示通过 BSFC 策略改性的气凝胶的（h）超轻和（i）自由成型的宏观结构。

图2. (a) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶沿横向不同压缩应变（40%、60% 和 80%）时的应力-应变曲线。(b) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶在 50%压缩应变下沿横向循环 1000 次的应力-应变曲线。(c) SiC/CF-GA 气凝胶压缩变形机制示意图。(d) 演示在使用 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的闭合电路中，LED 灯在压缩和释放条件下的亮度变化。(e) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶在0至 11.9千帕工作压力下的相对电流变化（ΔI/I0）曲线。(f) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶传感器在 80% 压缩应变下压缩 600 秒之前和之后的相对电阻变化（ΔR/R0）响应。(g) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶传感器在以 200 毫米/秒的加载-卸载速度承受阶梯式递增压力时的 ΔR/R0 响应。(h) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶传感器的循环应变传感行为。(i) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶传感器在手指弯曲运动实时监测中的应用。

图3. (a) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的反射损耗 3D 图。(b) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的介电损耗正切。(c) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶厚度为 2.7 毫米时的阻抗匹配度。(d) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶石墨烯薄片的元素映射图像、TEM 图像和 HRTEM。(e) SiC/CF-GA 气凝胶的电磁波衰减机制示意图。(f) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶与已报道的碳基气凝胶的 EAB 和填充量比较

图4. (a) 改性石墨烯气凝胶的多尺度构型。(b) Co/CF-GA、(c) Fe/CF-GA、(d) ZrO2/CF-GA、(e) Si3N4/CF-GA 和 (f) TiO2/CF-GA 气凝胶，包括 (i) 扫描电镜图像、(ii) 元素映射图像和 (iii) XRD 图。(g) 与主流石墨烯基材料相比，SiC/CF-GA 气凝胶的总体评价雷达图。

图5. (a) 不同厚度 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的噪声吸收系数。(b) 不同厚度 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的 NRC 值比较。(c) 不同厚度的 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶与其他已报道的噪声吸收剂的特定 NRC 值比较。(d) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶的噪声吸收光谱，覆盖了很宽的频带。(e) SiC/CF-GA 气凝胶的噪声吸收机理。(f) 10毫米 SiC/CF-GA 1:1气凝胶在 225 °C 下在加热板上的红外热图像。(g) SiC/CF-GA 1:1 气凝胶在火焰上烧30分钟的图像。(h) 水滴在 SiC/CF-GA 1:1气凝胶顶部的图像。

小结

总之，混合-纺丝辅助冷冻铸造（BSFC）策略是一种将功能性颗粒改性碳纤维加入石墨烯气凝胶的通用方法，可同时实现机械强化和功能增强。作为示范，我们通过 BSFC 策略成功制备了碳化硅颗粒改性碳纤维增强石墨烯（SiC/CF-GA）气凝胶。我们的BSFC策略使 SiC/CF-GA 1:1 气凝胶具有多种宝贵的物理特性，包括超低密度（4.48 mg cm–3）、高回弹性和可靠的抗压缩疲劳性（50% 应变下 1000 次循环）。此外，SiC/CF-GA 1:1 气凝胶相互连接的导电网络和出色的回弹性赋予了它高灵敏度（13.8 kPa-1）和持久的应变传感能力，显示了可穿戴生物变形传感器的巨大潜力。

此外，SiC 颗粒的加入可有效平衡改性石墨烯气凝胶的介电损耗和阻抗匹配，从而优化宽带电磁波（EMW）衰减。在厚度为2.7 mm时，SiC/CF-GA 1:1气凝胶的有效衰减带宽（EAB）达到8.0GHz，有望用作宽带电磁波衰减器。BSFC 策略的另一个优点是可以在碳纤维中加入各种功能颗粒来改性石墨烯气凝胶，这证明了它在开发定制石墨烯气凝胶方面的通用性。此外，改性气凝胶的多尺度多孔结构实现了多种功能特性，如吸音、隔热、防火和防水，进一步拓展了石墨烯气凝胶的实际应用范围。总之，所提出的BSFC策略是开发高性能改性石墨烯气凝胶的一种通用而有效的方法，它既能为气凝胶提供机械强度，又能使气凝胶具有功能性，从而实现定制化的实际应用。

文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02491