三维多孔碳纳米管-还原氧化石墨烯复合气凝胶应用于高性能对称超级电容器

以羟基化的碳纳米管(CNT-OH)和自制的氧化石墨烯(GO)为原料,通过氧化还原自组装的水热合成策略制备了碳纳米管-还原氧化石墨烯(CNTs-rGO)三维气凝胶,并探究了水热温度对三维气凝胶的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构、形貌进行了表征,并对其进行电化学性能测试。其中,在140℃下合成的气凝胶CNTs-rGO展示了最佳的电化学性能,在1 A·g^(-1)电流密度下的比电容高达294.65 F·g^(-1),循环伏安曲线在50 mV·s^(-1)扫速下的形状仍然近似于矩形,展示了良好的可逆性。将其作为正极和负极材料组装的对称超级电容器在功率密度为249.8 W·kg^(-1)时的最大能量密度为3.744 Wh·kg^(-1),在1 A·g^(-1)下循环10 000次后,其电容保持率和库仑效率均约为100%。优异的电化学性能主要归因于CNTs-rGO复合材料疏松多孔的三维立体结构,这保证了离子的快速运输,同时CNTs和rGO的交联结构提高了电导率,充分发挥了CNTs和rGO的化学和电学性能。

还原氧化石墨烯/酚醛杂化气凝胶的制备与性能研究

基于溶胶-凝胶技术,通过物理共混和常压干燥方法,制备了还原氧化石墨烯/酚醛树脂(RGO/PR)杂化气凝胶,考察了RGO/PR杂化气凝胶微观结构、热稳定性和介电性能随RGO含量的变化规律,并探索其作为防隔热/吸波复合材料基体的应用性能。结果表明:RGO片层结构均匀分散在酚醛气凝胶骨架中,RGO的加入可以有效提升气凝胶的热稳定性,当添加RGO的质量分数为4%时,杂化气凝胶的Tmax提升17.28℃;RGO对RGO/PR的介电性能有显著影响,2 GHz介电常数实部由2.6增加到4.7,可以实现对PR气凝胶电性能的灵活调控;气凝胶厚度为20 mm时,最低反射损耗小于-10dB;石英纤维增强RGO/PR杂化气凝胶经500 s表面温度为1200℃的烧蚀后,最大背温仅为186.31℃,表现出良好的防隔热性能。

氧化石墨烯掺杂二氧化硅气凝胶的特性研究

为满足高温防护需求,快速制备高强度、低导热系数的气凝胶成为一项重要的科学挑战。采用超临界干燥法,成功通过掺杂氧化石墨烯(GO)的方式,改善了二氧化硅气凝胶的性能。通过电子显微镜观察发现,GO均匀地镶嵌在气凝胶基体中,形成了有效的支撑骨架,显著增强了气凝胶的强度。傅立叶变换红外光谱分析表明,GO与二氧化硅气凝胶之间仅存在物理结合,并未形成明显的化学键。通过氮吸附/解吸测量发现,GO/SiO_(2)气凝胶的比表面积和孔径可以通过调整GO的用量进行可控调节。实验结果显示,当GO含量为质量分数0.5%,1%和2%时,GO/SiO_(2)气凝胶的比表面积分别为895,1294和997 m^(2)/g,与未掺杂的SiO_(2)气凝胶(852 m^(2)/g)相比有所增加。由于GO的加入,GO/SiO_(2)气凝胶的密度(0.07 g/cm^(3))略高于纯SiO_(2)气凝胶(0.06 g/cm^(3)),为其提供了更高的强度和承载能力。此外,GO/SiO_(2)气凝胶的导热系数为0.0176~0.0204 W/(m·K),低于纯SiO_(2)气凝胶(0.0221 W/(m·K))。该研究为SiO_(2)气凝胶在实际应用中的推广和应用提供了新思路。

多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯气凝胶的水蒸发性能研究

石墨烯片层间由于π-π相互作用会形成堆叠结构,不利于水体传输,影响石墨烯基材料的水蒸发性能。为改善石墨烯片层间的堆叠结构,形成较多的水体传输通道,提高石墨烯基材料的水蒸发性能,在氧化石墨烯(GO)中复合不同含量的多壁碳纳米管(MWCNT),采用水热还原法得到复合水凝胶,最后利用冷冻干燥法得到多壁碳纳米管复合还原氧化石墨烯气凝胶(MWCNT/rGOA)。研究了MWCNT含量对还原氧化石墨烯气凝胶微观结构与水蒸发性能的影响,并对MWCNT/rGOA的结构和性能进行了表征。结果表明,当MWCNT含量较低(MWCNT与GO质量比为0~0.4)时,随着MWCNT含量的增加,石墨烯片层间距增大,气凝胶内部水通道更加丰富,水蒸发性能增强。随着MWCNT含量的继续增加(MWCNT与GO质量比为0.4~0.7),MWCNT大量团聚,破坏了气凝胶内部的水通道,水蒸发性能减弱。当MWCNT与GO质量比为0.4时,MWCNT/rGOA的水蒸发速率和光热转化效率均达到最大值,分别为1.75 kg/(m^(2)·h)和91.1%。

氧化石墨烯/聚丙烯酸基导电黏附凝胶的制备与性能

现有导电凝胶材料在实际使用时存在诸多缺陷,因此设计出一种兼具高强度、高黏附性和高导电性的凝胶材料具有重要的应用意义。本文以丙烯酸(AAc)和丙烯酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯(AAc-NHS ester)为基体,聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为交联剂,引入氧化石墨烯(GO)作为增效成分,通过光引发一步聚合法制备了复合凝胶材料(PAA-NHS/GO)。GO的引入提高了体系的交联度,增强了凝胶的稳定性并赋予了凝胶高导电特性。PAA-NHS/GO的拉伸强度、断裂伸长率、电导率分别可达0.336MPa、302.6%和0.93S/m。复合凝胶的功能基团能与组织表面产生强黏附效果,黏附强度超过40kPa,同时还具备高生物安全性和优异的生物相容性。在外力作用下,复合凝胶表现出稳定的应变传感特性。而在用于心电信号监测时,复合凝胶的灵敏度高,并可实现稳定清晰的信号传输。PAA-NHS/GO作为新型导电黏附凝胶,有望用于柔性可穿戴、生物传感、电子皮肤等领域。

磁性石墨烯气凝胶复合材料的制备及其性能研究

针对石墨烯材料在吸波领域存在介电常数较大、阻抗匹配差等缺点,采用水热法调控石墨烯与Fe_(3)O_(4)的比例,制备一种兼具宽频带、轻质、高吸波性能的磁性石墨烯气凝胶复合材料(Fe_(3)O_(4)/GA)。对复合材料的形貌、结构及吸波性能进行表征和分析,结果表明,该复合材料呈三维多孔结构,Fe_(3)O_(4)纳米颗粒均匀负载在石墨烯表面;复合材料在较宽的频带上均表现出优异的吸波性能,且随着Fe质量的增加复合材料的吸波性能逐渐增强;当FeCl_(3)·6H_(2)O添加质量为0.42 g时,复合材料Fe_(3)O_(4)/GA-0.42的RLmin在15.6 GHz处达到-49.75 dB,厚度为3 mm时的有效吸收频带宽为7.12 GHz,具有良好的吸波性能。

石墨烯气凝胶对放射性废液中单宁酸的吸附

在常压水浴条件下制备三维石墨烯气凝胶(3DrGO-Lcy),研究其吸附放射性废液中的单宁酸。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)等技术对其结构和形貌进行表征,研究了吸附时间、初始浓度、pH值及吸附温度对单宁酸吸附性能的影响,并进一步探究了3DrGO-Lcy对单宁酸的吸附机理。结果表明,在常压水浴条件下,以半胱氨酸为交联剂,能有效将氧化石墨烯交联成三维多孔状的气凝胶。该气凝胶对单宁酸的吸附在120 min即可达到吸附平衡。在pH为4的酸性条件下,对单宁酸的最大平衡吸附容量可达89 mg/g。此外,3DrGO-Lcy对单宁酸的吸附动力学过程符合准二阶动力学模型,而等温吸附过程符合Freundlich模型,表明3DrGO-Lcy通过π-π堆积和官能团氢键作用的多分子层化学吸附过程实现对单宁酸的吸附。

整体型Bi2WO6/石墨烯气凝胶的制备及性能

为得到易于回收的光催化材料,采用溶剂热法并结合冷冻干燥制备整体型Bi 2WO 6/石墨烯气凝胶,通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)及紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)等方法对材料进行表征,探究不同水热温度对Bi 2WO 6/石墨烯气凝胶形貌、结构及性能的影响。结果表明,水热温度为120℃时材料整体性较好,110℃时光催化活性较好。在500 W氙灯照射下,光照120 min后对罗丹明B的降解率可达99.7%。

各向异性壳聚糖/氧化石墨烯气凝胶的制备及吸附性能研究

通过定向冷冻干燥法制备了具有各向异性孔结构的壳聚糖(CS)/氧化石墨烯(GO)复合气凝胶(M.3CSG),以化学气相沉积工艺对其进行了硅烷化疏水改性,采用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、力学性能测试、吸附性能测试等手段对材料进行了表征测试。结果表明:M-CSG气凝胶具有各向异性的取向微孔结构,GO的加入提高了M-CSG气凝胶的力学强度。M-CSG气凝胶对多种油和有机溶剂均具有良好的吸附能力,对氯仿的最大吸附量可达62g/g,并在10次循环吸附-解吸后仍保持优异的吸附性能。M-CSG气凝胶作为一种可重复使用的绿色吸附材料在油品回收和环境保护方面具有很大的应用潜力。

还原氧化石墨烯-二氧化硅复合气凝胶的合成与性能

针对传统二氧化硅气凝胶在实际应用中存在的强度低、易吸水、各项性能难以兼顾等问题,以乙二胺(EDA)还原改性的氧化石墨烯气凝胶作为增强材料,以六甲基二硅氮烷(HMDS)作为疏水改性剂,以四乙氧基硅烷(TEOS)作为硅源,将二氧化硅前驱体溶液浸渍到还原氧化石墨烯气凝胶(rGOA)中,通过溶胶-凝胶法进而冷冻干燥获得还原氧化石墨烯-二氧化硅复合气凝胶(rGOSA)。考察rGOA负载量对rGOSA的微观结构及其物化性能等的影响。结果表明:rGOSA表现出更强的热稳定性和疏水性,具有良好的机械性能和隔热性能。热分解温度高达400℃,水接触角高达143°,应变50%时的抗压强度为0.328 MPa,导热系数低至0.0390W·(m·K)^(-1)(30℃)。

石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究

为探究石墨烯气凝胶在防护领域的潜在应用,采用冷冻干燥法并控制冷冻温度变量制备不同的石墨烯气凝胶试样,进行单轴面内压缩力学实验;结合3D数字图像相关技术和扫描电子显微镜,分析变形模式与破坏机理。研究结果表明:冷冻干燥法制备的石墨烯气凝胶试样具有3D多孔网络结构、低密度(<33.93 mg/cm^(3))、高孔隙率(>98.5%)等特征,并具有受冷冻温度影响的特征微观结构;石墨烯气凝胶的压缩应力-应变曲线展现出多孔材料典型的三阶段特征,并且力学性能受冷冻温度的影响,-80℃所得石墨烯气凝胶的杨氏模量相较于-19℃提高160%,单位体积吸能提高67%;石墨烯气凝胶多次循环加载-卸载中随着内部致密区域的扩展,以塑性能为主的吸收总能趋于稳定不变,其状态变化可通过指数衰减模型描述;石墨烯气凝胶的横纵向片层不同的压缩变形形态发展为大规模的类弹簧型紧密折叠模式,使得石墨烯气凝胶表现出回弹性。所得研究成果为石墨烯气凝胶在防护领域的应用提供了理论与实践基础。

3D可回收型Bi_(2)WO_(6)/石墨烯气凝胶的制备及其光催化性能研究

为了进一步优化Bi_(2)WO_(6)的光催化性能和重复利用率,通过水热自组装法制备了具有3D结构的Bi_(2)WO_(6)/石墨烯气凝胶(BGA);采用XRD、SEM、FT-IR、UV-Vis DRS和BET等方法对制备的样品进行了表征和分析。以罗丹明B(RhB)作为目标降解物,以500 W氙灯为光源,对所制备材料的光催化性能进行了评价。当Bi_(2)WO_(6)与GA的质量比为6∶1时,催化剂在光照120 min内对罗丹明B的去除率可达99.7%,对盐酸四环素降解率可达98.6%,经过5次循环使用后,Bi_(2)WO_(6)/石墨烯气凝胶复合材料仍保持较好的光催化活性。自由基捕获实验证实h+为光催化降解的主要活性物质。此外,该材料还具有一定的可形变抗压性,提高了光催化剂回收再利用能力。

氮掺杂石墨烯气凝胶锚定RuP纳米粒子用于水合肼氧化辅助产氢

氢能是替代传统燃料的理想清洁能源。电解水析氢由于其环保和低成本的特性而受到广泛关注,然而,阳极析氧反应(OER)的缓慢动力学降低了制氢效率。因此,肼氧化反应(HzOR)以其低的理论电压电位(−0.33 V vs.RHE)成为了OER的合理替代方案。本工作中,以三维多孔的石墨烯气凝胶(GA)为导电基底,将Ru^(Ⅲ)-聚乙烯亚胺(Ru^(Ⅲ)-PEI)配合物吸附在GA表面。通过植酸(PA)和PEI之间的氢键相互作用GA进一步吸附PA,形成Ru^(Ⅲ)-PEI-GA-PA复合物。对Ru^(Ⅲ)-PEI-GAPA复合物前驱体进行磷化后,合成了锚定在N掺杂GA上的RuP纳米粒子(RuP/N-GA)。在热解过程中,在GA表面形成了超小的RuP纳米粒子。此外,PEI和PA的分解可以将丰富的N和P杂原子引入GA的结构中。因此,RuP/N-GA复合物具有高效的HzOR性能,在10 mA∙cm^(−2)时的工作电位低至−54 mV。此外,这种低Ru负载的新型RuP/N-GA复合物具有良好的析氢反应(HER)活性,电流密度为10 mA∙cm^(−2)时的HER过电势为−19.6 mV。在各种RuP/N-GA复合物中,RuP/N-GA-900具有最小的HER塔菲尔斜率(37.03 mV∙dec−1),表现出了最快的HER动力学。同时也表明RuP/N-GA-900的HER过程具有与Pt类似的Heyrovsky机制。理论计算结果表明,锚定结构和N杂原子的存在可以促进肼在RuP纳米粒子上的氧化。肼分子吸附在RuP/N-GA上的自由能为−0.68 eV,表明掺杂的N可以调节Ru活性位点的电子结构,有助于增强Ru的HzOR活性。此外,RuP/N-GA复合物对HER和HzOR均表现出优于商业Pt/C的循环稳定性和长期稳定性。基于RuP/N-GA复合物的双功能活性,所构建的双电极肼分解系统在10 mA∙cm^(−2)下表现出41 mV的极低分解电压就可以产氢,实现了低电压下节能制氢的目标。RuP/N-GA复合物优异的电催化活性归因于超小的RuP纳米粒子提供了丰富的Ru活性位点。此外,GA骨架中N的掺杂与RuP纳米颗粒之间的协同效应有助于提高RuP/N-GA复合物的活性。三维多孔的N-GA加速了电荷转移和传质过程,并且N-GA和RuP纳米粒子之间的相互作用增强了RuP纳米粒子对HER和HzOR的电催化活性。这项工作提出了一种HzOR辅助制氢的双功能电催化剂,并为通过吸附-磷化法设计和合成先进电催化剂提供了新思路。

海藻酸钠/改性氧化石墨烯微孔气凝胶纤维制备与吸附性能

为提升海藻酸钠(SA)/氧化石墨烯(GO)复合纤维对阳离子染料的吸附性能及其力学性能,以轻质碳酸钙作为成孔剂,马来酸酐接枝氧化石墨烯(MAH-GO)微粒作为增强剂,SA作为基体,采用湿法纺丝与冷冻干燥法,经酸性置换制备SA/MAH-GO微孔气凝胶纤维,并对其化学结构、形貌和粒度进行分析,探讨了MAH-GO质量分数对微孔气凝胶纤维断裂强度的影响,采用吸附动力学及吸附等温线模型对吸附实验数据进行拟合分析。结果表明:MAH-GO质量分数为0.5%时,SA/MAH-GO微孔气凝胶纤维的拉伸断裂强度最优,为0.513 cN/dtex,与SA/GO气凝胶纤维断裂强度相比提高了11.51%,其吸附过程符合准二级吸附动力学模型,主要受到化学吸附机制控制,对亚甲基蓝最大吸附量可达2 400.66 mg/g。

还原氧化石墨烯气凝胶水蒸发诱导发电性能的研究

为了增强氧化石墨烯(GO)水蒸发诱导发电性能,采用水热还原法和冷冻干燥法制备得到了还原氧化石墨烯气凝胶(rGOAs),并通过等离子体处理得到了具有稳定空间结构且富含含氧官能团的rGOAs。研究了还原剂与GO的质量比、等离子体处理时间、气凝胶与水面接触角以及湿度对rGOAs发电性能的影响。研究结果表明:当还原剂与GO质量比为1:1,空气等离子体处理时间为120 s,样品与水面的接触角度为60°且湿度为20%时,制备的rGOA具有最佳的发电性能,其开路电压约为0.415 V。rGOAs在可持续发展领域具有应用前景,可以为电子设备以及能源存储器件供电。

磁性ZIF-8/石墨烯气凝胶制备及油水分离性能

为解决溢油和有机污染物问题,以NiFe_(2)O_(4)为磁性载体、氧化石墨烯(GO)为气凝胶框架、ZIF-8为金属有机材料,通过化学还原法制备了一系列不同复合比的磁性ZIF-8/石墨烯气凝胶(GA/NiFe_(2)O_(4)/ZIF-8),探究了其对乙醇、正己烷、油酸、花生油、真空泵油5种有机溶剂的吸附性能。结果表明,该复合气凝胶具有高效的吸附分离能力(吸附能力是其自身质量的20.0~46.6倍),且均高于对照试验组的石墨烯气凝胶(GA)和磁性石墨烯气凝胶(GA/NiFe_(2)O_(4))。进一步以正己烷为目标污染物进行循环试验,经过5次循环实验后,其吸附量降低不明显,降低幅度为1%~6%。此外,以真空泵油为目标污染物,考察了-60~140℃范围内复合气凝胶的高效吸附稳定性。这些优异性质的GA/NiFe_(2)O_(4)/ZIF-8复合气凝胶的开发有望为含油污水的油水分离处理提供借鉴。

具有超疏水宽频吸波性能的磁功能化石墨烯气凝胶

三维“泡沫型”结构石墨烯气凝胶具有高比表面积及独特的多孔结构特性,使其成为了最具发展潜力的轻质宽频微波吸收材料。采用化学还原自组装法构筑含有金属乙酰丙酮络合物的石墨烯水凝胶,经冷冻干燥、原位热解过程成功制备Co磁性纳米粒子修饰的超疏水石墨烯气凝胶(Co@SMGA),通过粉末X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段测试表征复合材料的结构和物相组成,基于同轴法测试其电磁参数并利用Matlab模拟反射损耗。实验结果表明:煅烧温度对磁功能化石墨烯气凝胶复合材料的微波吸收性能有重要影响,煅烧温度450℃、超低填充量4 wt%的复合材料具有最优异的吸波性能,其最小反射损耗(RLmin)为-45.3 dB,匹配厚度为2.5 mm时,有效吸收带宽(EAB)达到6.5 GHz。

石墨烯复合气凝胶在水污染治理方面的应用分析

为提升GA材料的机械性能,实现水污染的有效治理,通过将天然橡胶乳液与GA的水性分散液混合制备GA/NRL,吸附测试结果表明:对MB正电性染料吸附效果好,且对轻油、重油有机溶剂的吸收量分别是自身质量130、276倍,吸油、吸水效果好。循环吸附效果表明:对十二烷的吸油能力随循环系数的增加而保持稳定,且经4次循环后,还能够将材料中70%左右的油去除,循环利用性能好。

基于硼掺杂石墨烯气凝胶阴极光子增强热电子发射特性研究

光子增强热电子发射(PETE)转换器是将光伏发电和热离子发电结合到一个单一的物理过程的能量转换器。本文采用了一锅水热还原工艺以及冷冻干燥工艺,分别以氧化石墨烯(GO)和硼酸作为碳(C)源和硼(B)源制备了硼掺杂石墨烯气凝胶(BGA),用自制装置测试了样品的PETE性能。硼原子掺杂可以调控石墨烯气凝胶的带隙,并且可以使石墨烯气凝胶呈现P型半导体特性,与未掺杂石墨烯气凝胶(GA)相比,BGA具有更好的PETE效应,其PETE电流(3.85 μA)约为GA (0.45 μA)的8.5倍。

超高容量氧化石墨烯/碳纳米管气凝胶用于血红蛋白的吸附分离

采用冷冻干燥技术制备了三维氧化石墨烯/碳纳米管(GO/CNTs)气凝胶,在疏水作用下,该气凝胶对蛋白质表现出良好的吸附性能.在p H=8.0时,GO/CNTs气凝胶对血红蛋白的吸附效率很高,而对白蛋白基本不吸附,从而可实现血红蛋白的选择性吸附分离.在最佳吸附条件下,GO/CNTs气凝胶对血红蛋白的吸附容量高达3793.3 mg/g,是去除高丰度血红蛋白的高效材料.吸附后的血红蛋白可以使用p H=11.5的BrittonRobisin缓冲液有效洗脱,回收率为67%.圆二色光谱结果表明,GO/CNTs气凝胶具有良好的生物相容性,其表面发生的吸附/洗脱过程对血红蛋白的构象基本无影响.将GO/CNTs气凝胶用于人全血样品中血红蛋白的选择性分离,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳结果表明得到了较高纯度的血红蛋白.