石墨烯/壳聚糖生物复合气凝胶，用于隔热和隔音、储能系统等

成果简介

利用生物聚合物开发具有高耐热性、更高机械强度和低导热性的轻质三维（3D）材料，对于众多先进应用至关重要。本文，Univ Paris Est Creteil研究人员在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊发表名为“Toward the Development of Graphene/Chitosan Biocomposite Aerogels with Enhanced Mechanical and Thermal Insulation Performance”的论文，研究采用一种不含有害化学物质的直接方法，成功地制造出了基于壳聚糖（CS）的低密度生物复合气凝胶，这种气凝胶具有特殊的多孔结构（孔隙率超过 98%）。这些气凝胶集高机械性能、隔热性、热稳定性和防火安全性于一身。

这是通过采用环保型冷冻干燥工艺加入少量石墨烯纳米填料（G）实现的。合成方法以及成分和微观结构对 G-CS 气凝胶的机械和隔热性能的重要影响得到了强调。比较了石墨烯的两种分散方法：直接加入 CS 溶液然后超声处理，以及在加入 CS 溶液之前在水中预先分散。在不同温度（-30、-60 和 -196 °C）下进行多向随机冷冻并随后冷冻干燥后，第二种方法产生的 G-CS 气凝胶具有更优越的机械性能。随着石墨烯含量的增加，这些气凝胶的机械阻力也得到了改善，杨氏模量达到了 376 KPa，是纯壳聚糖气凝胶的 2.75 倍。G10-CS 显示出卓越的抗压强度，可承受约为其重量 3000 倍的负荷。

扫描电子显微镜（SEM）分析表明，石墨烯的加入以及将冷冻温度降低到-60 °C，使气凝胶的微观结构从片状转变为三维相互连接的蜂窝状结构，从而降低了导热系数（0.038 W m-1 K-1）。G10-CS 复合气凝胶有望成为各种实际应用的候选材料，包括隔热和隔音、储能系统、气体检测传感器、生物医学设备、环境修复、先进过滤技术和药物输送。

图文导读

方案一、(a) G-CS 生物复合气凝胶制备过程示意图。(b) 假设壳聚糖（CS）链之间以及石墨烯（G）和壳聚糖（CS）之间的相互作用示意图，从而生成 G-CS 气凝胶 (c) A2 步骤中 G 悬浮液和 CS 溶液的ζ电位图与 pH 值的关系图

图1. 数码照片显示（a）G10-CS 气凝胶的超轻重量，以及（b）纯 CS、G5-CS 和 G10-CS 气凝胶支撑 1 公斤（约为其重量的 3000 倍）的行为。

图2.通过 （a） A1 和 （b） A2 程序制备的气凝胶的应力-应变曲线。（c） 采用两种方法制备的不同 G-CS 气凝胶的杨氏模量的比较直方图表示。（d） 超声处理前后 CS 溶液的剪切应力与剪切速率数据。

图3. (a) 纯 CS 和 G10-CS 气凝胶的傅立叶变换红外光谱。(b) GO、G5-CS 和 G10-CS 气凝胶的 XPS 勘测光谱。(c) 石墨烯粉末、(d) CS 粉末和 (e) G10-CS 气凝胶的高分辨率 C 1s 光谱解卷积；(f) G 粉末、CS 粉末和 G10-CS 气凝胶的 XRD 图样。(g) G10-CS 气凝胶的典型 TEM 图像。

图4. (a) 杨氏模量和能量吸收 W40%。(b) 不同 G 含量的 G-CS 气凝胶在零下 60 ℃ 的冷冻温度下制备的热导率的柱状图比较。

图5. 在-30 ℃（a、e）、-60 ℃（b、f）和-196 ℃（c、g）冷冻温度下制备的 G10-CS 的扫描电镜图像，以及在-196 ℃制备的 G10-CS 的数码照片（d）。箭头表示出现裂纹。(h) 显示了气凝胶的表观密度和孔隙率数据。(i) 应力-应变曲线 (j) 杨氏模量和能量吸收 W40% (k) 在-30 ℃和-60 ℃冷冻温度下制备的 G10-CS 气凝胶的热导率的比较直方图。

图6：（a）石墨烯粉末和纯 CS、G5-CS、G10-CS 气凝胶在-60°C 冻结温度下的 TGA 和 dTG 曲线；（c）视频截图，显示纯 CS 和 G10-CS 气凝胶在-60°C 冻结温度下的燃烧行为；（d）纯 CS 和 G10-CS 气凝胶在不同燃烧时间下的相对质量曲线。

小结

通过直接、可持续和生态友好的合成方法制备石墨烯/壳聚糖生物复合气凝胶，成功实现了以具有成本效益的方式开发高性能机械和隔热材料的目标。石墨烯的加入使得超轻生物复合气凝胶具有三维网络结构，并显示出相互连接的孔隙结构。这种增强的结构归因于带正电荷的壳聚糖和带负电荷的石墨烯之间有吸引力的静电相互作用的协同效应，以及它们的羟基和氨基/乙酰氨基之间形成的氢键。本研究强调了制备程序在设计具有更佳机械性能的复合气凝胶中的关键作用。扫描电子显微镜图像显示，G-CS 气凝胶的形态和孔径及其物理性质都可以通过改变石墨烯含量和冷冻温度来调整。在-60 °C下制造的G10-CS生物复合气凝胶显示出最小的孔隙（平均直径约76 μm）、最高的杨氏模量（376 kPa）和最低的热导率（0.038 W m-1 K-1）。此外，G-CS 复合气凝胶还具有良好的阻燃性能。

文献：https://doi.org/10.1021/acsapm.4c02301