北京科技大学：综述！高度排列石墨烯气凝胶，用于多功能复合材料最新进展

成果简介

石墨烯源于独特的面内蜂窝状晶格结构和sp2杂化碳原子，通过异常强的碳-碳键键合，表现出显著的各向异性电学、机械学和热学性能。为了最大限度地利用石墨烯的面内特性，已经设计了预构建和对齐的结构，例如取向气凝胶、薄膜和纤维。高度排列的石墨烯气凝胶具有取向结构、高表面积、优异的导电性、机械稳定性、导热性和多孔性的独特组合，可以在特定方向上定制和增强性能，从而在不同领域取得进步。

本文，北京科技大学伍英、香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬 助理教授、北京化工大学材料科学与工程学院于中振 教授等在《Nano-Micro Lett》期刊发表名为“Highly Aligned Graphene Aerogels for Multifunctional Composites”的论文，综述了高度排列的石墨烯气凝胶及其复合材料的最新进展。它重点介绍了取向石墨烯气凝胶的制备方法和取向优化，可以从定性和定量上进行估计。定向支架赋予石墨烯气凝胶及其复合材料各向异性特性，在牺牲垂直方向的情况下，沿排列显示出增强的电学、机械和热学特性。综述了石墨烯气凝胶及其复合材料的卓越性能和应用，例如它们在电子、环境应用、热管理和储能方面的适用性。提出了挑战和潜在机遇，为该材料的前景提供了新的见解。

图文导读

石墨烯气凝胶的制备

为了制造高度排列的石墨烯气凝胶，研究人员开发了几种合成方法，如图1所示。

（i）定向冷冻铸造方法涉及以受控方式冷冻石墨烯分散体。冰晶充当模板，在冷冻铸造过程中强制对齐。定向冻结可以精确控制对准方向和复杂的结构，同时需要仔细控制冻结条件。通过定向冷冻铸造排列的石墨烯气凝胶的形态高度依赖于温度梯度的方向和强度。

（ii）自组装技术利用了GO液晶（LC）固有的取向特性，当GO片悬浮在溶剂中并由于其各向异性特性而自发排列时形成。这是一种可能大规模制备石墨烯气凝胶的简单方法，而远距离取向是困难的。

（iii）剪切诱导取向依靠机械力来对齐石墨烯片。通过使GO色散受到剪切力（例如旋转或振荡剪切力），片材沿流动方向对齐。强制装配一般与水热处理相结合，以保持对准。剪切诱导对准是可扩展且直接的，因为它不需要专门的模板，而实现对准程度和方向的精确控制具有挑战性。

图1、高度排列石墨烯气凝胶制备应用最广泛的技术总结

2.2  各向异性

构成石墨烯晶格的碳原子通过稳健的共价键错综复杂地连接，形成弹性的二维结构框架。由于原子结构和键合，石墨烯表现出固有的各向异性，这导致高度排列的石墨烯气凝胶中具有各向异性。当石墨烯片在气凝胶结构内排列时，石墨烯性质的方向依赖性延伸到气凝胶结构。石墨烯特性固有的这种方向依赖性与气凝胶的交叉在一起，从而赋予了特定方向的品质。由于对准，气凝胶的机械、电气、热、传输、EMI 屏蔽和其他特性沿不同方向受到显著影响。

图2、高度取向石墨烯气凝胶及其复合材料的各向异性性能

小结

总之，本综述重点介绍了高度排列的石墨烯气凝胶及其复合材料的最新进展，强调了其独特的结构特征、表征、性能和潜在应用。借助定向冷冻铸造技术、GO LC 前驱体的自组装和机械剪切，制备出了具有高度定向壁和多孔通道的石墨烯气凝胶。利用扫描电子显微镜观察、扫描电子显微镜图像的取向分布分析、偏振拉曼光谱和 X 射线散射，可以对石墨烯构件的排列进行定性和定量分析。有序排列的石墨烯气凝胶充分利用了二维石墨烯薄片显著的面内机械、电学和热学特性，在机械、电学、热传输和电磁干扰屏蔽特性方面表现出各向异性（沿特定方向的性能更好，而牺牲了横向方向的性能）。对齐支架具有超弹性、超压缩性和抗疲劳性，使对齐石墨烯气凝胶成为压力和压缩应变压电传感的理想材料。石墨烯气凝胶及其复合材料的各向异性导热性使其可用于各种与热有关的应用，如太阳能热能传输/存储、太阳能蒸汽、热导体和热绝缘体。高度排列的石墨烯基气凝胶中定向多孔通道的毛细管效应使其在有机溶剂/油吸收方面大有可为。此外，它们在电化学装置和电磁干扰屏蔽等应用中也表现出优势。主要挑战和可能的解决方案如下：

(i) 高度配向石墨烯气凝胶领域的主要挑战之一是开发可扩展、可控制和具有成本效益的制造技术，以可靠地实现和保持所需的配向水平。虽然在对齐结构的制造方面已经取得了重大进展，但许多现有技术在可扩展性和成本效益方面受到限制，阻碍了它们在更大范围内的实际应用。持续的研究工作侧重于优化制造工艺和探索创新方法，如多步骤工艺或结合不同配准方法的混合技术，这些都是有贡献的。采用机器人系统和自动化质量控制进行精确处理、配准和组装过程，也能提高效率、降低劳动力成本并提高可重复性。

(ii)GO 悬浮液目前被用作制造石墨烯气凝胶的前驱体，但还原过程通常涉及苛刻的化学处理或高温退火，这对于部分恢复石墨烯的优异特性是必要的。这就限制了石墨烯气凝胶产品的整体质量和大规模制造。开发高质量、大尺寸的石墨烯构件和有效的功能化技术，以确保良好的分散性和兼容性，为推进排列整齐的石墨烯气凝胶带来了巨大希望。改进剥离参数以减少缺陷、最大化横向尺寸并更好地控制层数，可获得具有所需特性的石墨烯薄片。用化学基团或功能分子对石墨烯薄片的特定区域进行选择性功能化（例如，功能化石墨烯边缘和结晶良好的平面），可提高石墨烯的分散性、稳定性和与各种基质的相容性，同时将石墨烯的优异内在特性保持在最高水平，有利于进一步增强排列整齐的石墨烯气凝胶基材料。

(iii) 整合高配位石墨烯气凝胶基材料的多功能性 通过整合多功能性来生产一体化器件是促进其实际应用的有效途径之一。通过在单一材料或器件中集成多种功能，可以更高效、更有效地解决广泛的应用问题。高度排列的石墨烯气凝胶具有独特的性能，如高比表面积、优异的机械强度、各向异性的热导率和电性能，因此是多功能集成的理想候选材料。例如，在对齐石墨烯气凝胶材料中集成传感和致动功能。将传感元件集成到气凝胶结构中，可用于应变或压力传感应用。此外，配向石墨烯气凝胶还具有优异的机械性能，可作为致动器材料对温度或湿度变化等外部刺激做出响应。这些多功能材料可以在智能结构、机器人和可穿戴设备中找到应用。

文献：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01357-w