石墨烯气凝胶的制备及其对水中油分的吸附特性

以改性Hummers法制备出的氧化石墨（GO）为原料,乙二胺（EDA）为交联剂,通过液相化学交联法制备出以石墨烯为主体的多孔网状气凝胶（EGA）。利用电子扫描电镜（SEM）、电子透射电镜（TEM）及选区电子衍射（SAED）对其进行表征。以水中柴油为研究对象,考察所制EGA样品对水中柴油的吸附脱除效果。结果表明,石墨烯气凝胶对柴油的吸附量在前5 min上升迅速,在30 min左右达到吸附平衡。吸附过程遵循准二级动力学模型,且吸附速率随温度的升高而增加,体系的表观活化能E_a=23.94 kJ·mol^-1。颗粒内扩散模型拟合结果表明,EGA对水中柴油的吸附分为表面孔道吸附、气凝胶内部孔道扩散以及石墨烯片层间小孔道扩散。石墨烯气凝胶对柴油的吸附等温线与Freundlich模型较为吻合。     

石墨烯气凝胶的水热法制备及表征

以石墨为原料,高锰酸钾为氧化剂,通过超声制备具有不同片径的氧化石墨烯,采用一步水热还原制备石墨烯水凝胶,将石墨烯水凝胶进行冷冻干燥制备石墨烯气凝胶。分别采用X-射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜对石墨烯气凝胶的结构、形貌进行了表征。结果表明,通过水热法还原氧化石墨烯可得到具有丰富多孔结构的石墨烯气凝胶。     

石墨烯气凝胶的水热法制备及表征

以石墨为原料,高锰酸钾为氧化剂,通过超声制备具有不同片径的氧化石墨烯,采用一步水热还原制备石墨烯水凝胶,将石墨烯水凝胶进行冷冻干燥制备石墨烯气凝胶。分别采用X-射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜对石墨烯气凝胶的结构、形貌进行了表征。结果表明,通过水热法还原氧化石墨烯可得到具有丰富多孔结构的石墨烯气凝胶。     

FeOOH/石墨烯复合气凝胶三维电极氧化脱除污水有机物的研究

利用Fe2+对氧化石墨烯(GO)进行原位还原和沉积,采用低温水热-冷冻干燥方法制备负载羟基氧化铁的石墨烯气凝胶复合材料(FeOOH/r-GO)。通过X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、扫描电镜、透射电镜等分析手段对其形貌、结构、组成进行表征,并构筑三维电极用于含亚甲基蓝污水的氧化处理。结果发现,石墨烯三维复合电极降解有机物的能力优于二维电极以及石墨烯气凝胶作粒子电极的三维电极。FeOOH/r-GO复合气凝胶材料可用于废水中有机污染物的有效氧化脱除。     

石墨烯气凝胶/二十烷相变材料的制备及性能研究

以氧化石墨烯（GO），二十烷（Eicosan）为原料，先采用胶体团聚法制备还原-氧化石墨烯气凝胶，再通过自扩散获得了还原氧化石墨烯气凝胶/二十烷复合相变材料,研究了复合材料与性能的关系。采用热重和差示量热扫描仪测试了二十烷和复合材料的热性能，确认了二十烷质量分数对复合材料的焓值的关系以及相变循环次数对材料稳定性的影响。结果表明：复合材料的焓值与二十烷的质量分数成正比；经过50次相变循环后，PCM4仍然保持稳定性。导热性能分析表明, 还原氧化石墨烯气凝胶可以改善二十烷的热导率。此外，通过太阳光模拟测试，计算出复合材料的光热转换效率为55%。     

本期导读

正石墨烯气凝胶是一种在石墨烯基础上开发的多孔纳米材料,其高比表面积、高孔隙率、低密度、低导热系数、强吸附性、良好的热稳定性及结构可控性等特性,使得其在吸附、储能、催化、电化学等领域具有广阔的应用前景。"石墨烯气凝胶的结构控制及其电化学性能"一文通过Hummer法制备了氧化石墨烯,然后采用水热法制备石墨烯气凝胶,对水热条件(氧化石墨烯质量浓度、水热反应时间等)进行了考察;将制备的气凝胶用作锂离子电池的负     

氧化石墨烯/壳聚糖复合气凝胶的制备及对甲基橙吸附性能研究

以氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(CS)为原料,采用一步水热法制备了氧化石墨烯/壳聚糖复合气凝胶(GO/CS)。分别研究了制备方法和原料比例对其吸附甲基橙(MO)的影响。结果表明:水热法制得的气凝胶为三维网状结构,且水热法制备的氧化石墨烯/壳聚糖复合气凝胶(GO/CS)较溶胶-凝胶法具有更好的吸附性能,当GO与CS的质量比为10:1时,复合气凝胶对甲基橙去除率最高。     

纤维素/氧化石墨烯复合气凝胶的制备及其阻燃性能研究

为了提高纤维素气凝胶的阻燃性能,用具有阻隔效应和催化成碳能力的氧化石墨烯（GO）作为阻燃剂,通过简单的冷冻干燥的方法制备了具有阻燃功能的纤维素/GO复合气凝胶。结果表明,GO在纤维素黏液中的最佳添加量是5 %（质量分数,下同）;在此条件下,GO在纤维素中分散良好,可以形成有序的三维多孔气凝胶结构;GO和纤维素之间的作用力为氢键;在最佳添加量条件下,G5C95气凝胶始终处于阴燃状态,其燃烧速率从纯的纤维素气凝胶的5.67 mm/s降低为0.57 mm/s;相对于纯的纤维素气凝胶,GO阻燃纤维素气凝胶的峰值热释放速率减少了57.7 %,总热释放量也明显降低,显示出较好的阻燃性能;相对于纯的纤维素气凝胶,GO阻燃气凝胶的残炭更加致密;GO提高了残炭的石墨化程度;由于GO的物理屏障效应和催化成碳能力,其不仅能增加残碳量,而且能提高残碳致密度和石墨化程度,从而有效提高纤维素气凝胶的阻燃性能。     

石墨烯气凝胶的制备及其对水中油分的吸附特性

以改性Hummers法制备出的氧化石墨(GO)为原料,乙二胺(EDA)为交联剂,通过液相化学交联法制备出以石墨烯为主体的多孔网状气凝胶(EGA)。利用电子扫描电镜(SEM)、电子透射电镜(TEM)及选区电子衍射(SAED)对其进行表征。以水中柴油为研究对象,考察所制EGA样品对水中柴油的吸附脱除效果。结果表明,石墨烯气凝胶对柴油的吸附量在前5 min上升迅速,在30 min左右达到吸附平衡。吸附过程遵循准二级动力学模型,且吸附速率随温度的升高而增加,体系的表观活化能E_a=23.94 k J·mol~(-1)。颗粒内扩散模型拟合结果表明,EGA对水中柴油的吸附分为表面孔道吸附、气凝胶内部孔道扩散以及石墨烯片层间小孔道扩散。石墨烯气凝胶对柴油的吸附等温线与Freundlich模型较为吻合。     

碳纳米管-石墨烯气凝胶制备及其对水中乳化油的吸附特性

以改进的Hummers-Offeman法制备出的氧化石墨（GO）与羧基化多壁碳纳米管（CNTs-COOH）为原料,聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为交联剂,乙二胺（EDA）为还原剂,水热还原法制得羧基碳纳米管-石墨烯复合气凝胶（CGA）。调整GO与CNTs-COOH的质量比获得密度在8.40～14.42 mg·cm^-3之间的气凝胶,并确定在GO：CNTs-COOH=3：1（质量）时得到的气凝胶的机械强度最优。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）对所制备的CGA进行表征,得知GO与CNTs-COOH已成功还原组装成多孔状三维气凝胶结构。以水中乳化柴油作为研究对象,考察CGA样品在不同温度下对乳化柴油的吸附特性。结果表明,CGA的吸附量在前6 min迅速上升,在30 min左右达到吸附平衡,且平衡吸附量随温度升高而增加。吸附过程遵循准二级动力学模型,体系表观活化能为7.10 kJ·mol^-1。利用颗粒内扩散模型分析得出,CGA对乳化油的吸附分为外表面吸附过程和内部孔道吸附过程（内部大孔道吸附、中孔道和微孔道内扩散3个阶段）。     

通过控制醇凝胶强度常压制备低密度疏水SiO2气凝胶

常压干燥制备低密度气凝胶是促进高性能气凝胶发展应用的重要途径。以正硅酸乙酯为硅源,采用溶胶-凝胶和常压干燥工艺制备出低密度(<100 kg·m^-3)的疏水SiO₂气凝胶,通过工艺参数的控制制备出不同压缩模量的醇凝胶,探讨了反应物配比对醇凝胶压缩模量和气凝胶密度间的影响关系,获得了通过控制醇凝胶压缩模量制备低密度疏水SiO₂气凝胶的方法;发现将醇凝胶压缩模量控制在0.25~2.5 kPa范围内,可制备出密度小于100 kg·m^-3的疏水SiO₂气凝胶,该研究可以为低密度疏水SiO₂气凝胶的低成本常压制备及其控制方法提供指导。     

对位芳纶气凝胶粉体的制备与性能研究

以对位芳纶纳米纤维(PANF)水凝胶为原料,将冻凝胶粉碎法与冷冻干燥法相结合,制备出PANF气凝胶粉体。系统研究了对位芳纶气凝胶粉体的微观结构及性能参数,以及制备条件对产物形貌的影响,并初步探究了其应用。结果表明,液氮冷冻制备的PANF气凝胶粉体具有多孔结构,松装密度约为17.0 kg?m^-3,孔隙率约为98.8%,BET比表面积可达126.30 m²?g^-1。PANF气凝胶粉体的耐热性优异,在氮气气氛下500℃前几乎无分解;热导率较低,约为0.03 W?m^-1·K^-1。气凝胶粉体具有吸附罗丹明B等染料的特征,同时可作为纳米填充材料增强聚氨酯乳胶膜等聚合物材料的硬度,其低热导率表明其有望应用于绝热领域。     

酸碱催化剂浓度对柔性硅气凝胶性能和结构的影响

以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和正硅酸乙酯(TEOS)作为混合硅源,甲醇为溶剂,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,通过酸碱两步催化溶胶凝胶法制备醇凝胶,经超临界干燥可以制备高弹性疏水块状硅气凝胶。分别采用0.1 mol·L^-1 和0.01 mol·L^-1 的草酸作为酸催化剂,5 mol·L^-1 和10 mol·L^-1 的氨水作为碱催化剂,研究不同酸碱催化剂浓度对其网络结构的影响。发现高浓度酸和高浓度碱以及低浓度酸和低浓度碱作为催化剂合成的硅气凝胶的网络结构更加均匀,孔径分布更窄。其中,在草酸浓度为0.01 mol·L^-1、氨水浓度为5mol·L^-1 时,所得硅气凝胶密度为0.135 g·cm^-3、比表面积为807 m²·g^-1、孔隙率约为93%,凝胶最大可压缩至其起始长度的60%,压缩回弹率为100%。     

酚醛气凝胶/碳纤维复合材料的结构调控及性能研究

以酚醛树脂为前体、碳纤维针刺预制体为增强体,采用溶胶-凝胶、常压干燥方法制备得到纳米孔酚醛气凝胶/碳纤维复合材料。在不改变材料密度的条件下,通过调节固化剂的用量来调控酚醛气凝胶的纳米颗粒尺寸及孔隙结构,改变气凝胶颗粒在碳纤维针刺预制体中的填充状态,制备出不同微观结构的复合材料。研究表明：随着固化剂用量的减少,气凝胶的颗粒粒径逐渐变小,平均孔径在230 nm~5μm范围内可调;与碳纤维复合后,随着气凝胶颗粒的减小,复合材料的力学性能逐渐提升、热导率逐渐降低、烧蚀性能明显提高。优化后的PAC复合材料具有极低的密度（0.27 g·cm^-3）、高弯曲强度（8.9 MPa）、较低的热导率（0.065 W·m^-1·K^-1）;在2000℃、30 s的中等热流烧蚀条件下,质量烧蚀率为0.0081 g·s^-1、线烧蚀率为0.0204 mm·s^-1。通过调控材料的纳米结构,能够有效地提升材料的力学、隔热以及烧蚀性能,满足高性能热防护应用需求。     

A novel strategy for the construction of silk fibroin–SiO2 composite aerogel with enhanced mechanical property and thermal insulation performance

The practical application of silica aerogels is an enormous challenge due to the difficulties in improving both mechanical property and thermal insulation performance. In this work, silk fibroin was used as scaffold to improve the mechanical property and thermal insulation performance of silica aerogels. The ungelled SiO₂ precursor solution was impregnated into silk fibroin to prepare silk fibroin–SiO₂ composite aerogels via sol−gel method followed by freeze-drying. By virtue of the interfacial hydrogen-bonding interactions and chemical reactions between silk fibroin and silica nanoparticles, SiO₂ was well-dispersed in the silk fibroin aerogel and composite aerogels exhibited enhanced mechanical property. By increasing the loading of silk fibroin from 15 wt % to 21 wt %, the maximum compressive stress was enhanced from 0.266 to 0.508 MPa when the strain reached 50%. The thermal insulation performance of the composite aerogels was improved compared with pure silica aerogel, as evidenced that the thermal conductivity was decreased from 0.0668 to 0.0341 W∙m^‒1∙K^‒1. Moreover, the composite aerogels exhibited better hydrophobicity and fire retardancy compared to pure silica aerogel. Our work provides a novel approach to preparing silk fibroin–SiO₂ composite aerogels with enhanced mechanical property and thermal insulation performance, which has potential application as thermal insulation material.     

新型纳米颗粒/SiO2复合气凝胶制备及吸附催化应用进展

SiO₂气凝胶作为一种新型多孔网络结构材料，具有高比表面积、低热导率及低折射率等优异性能，在多领域具有广泛的应用前景，但是纯SiO₂气凝胶存在力学强度低、质脆易裂等缺陷，严重制约了其规模化应用。因此，如何提升气凝胶的力学性能成为突破其产业化瓶颈的重点。目前，通过引入功能性增强相是改善SiO₂气凝胶多孔骨架强度和柔韧性的最有效途径之一。本综述首先介绍了SiO₂气凝胶制备及复合改性方法；然后对功能纳米颗粒/SiO₂复合气凝胶合成进行探讨，分析了不同维度纳米材料如0D金属氧化物颗粒、1D纳米管/纳米纤维、2D氧化石墨烯纳米片（GO）以及3D金属有机骨架材料（MOFs）对气凝胶孔道结构和表面物化特性的影响，最后，论述了SiO₂复合气凝胶在环境吸附催化领域中的应用潜力。     

冬瓜基含TiO2炭气凝胶的制备、表征及其光催化性能

以冬瓜和钛酸四丁酯为原料,采用水热法和冷冻干燥法成功制备出含TiO₂炭气凝胶（WTCA）,研究了其对罗丹明B废水的光催化降解性能,并考察了水中常见无机盐离子对其光催化效果的影响。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱仪（Raman）和荧光光谱仪（FL）等对样品结构和性能进行了表征。XRD、Raman和EDS分析表明复合气凝胶中含有锐钛矿TiO₂和碳元素;SEM和TEM分析表明TiO₂纳米颗粒均匀地负载在具有多级孔洞结构的炭气凝胶的骨架表面;含TiO₂炭气凝胶的光催化活性明显高于纯TiO₂,当负载量达30%时,其对罗丹明B的光催化降解效率最高（降解率达96.11%）。此外,无机盐阴离子对复合气凝胶的光催化效果有一定的抑制作用（CO₃^2- > SO₄^2- > Cl^- > NO₃^-）,而无机盐阳离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺的抑制作用不明显。     

Gradient structure polyimide/graphene composite aerogels fabricated by layer-by-layer assembly and unidirectional freezing

In this work, gradient polyimide (PI)/graphene composite aerogels were prepared with poly(amic acid) ammonium salt/graphene aqueous solution through layer-by-layer assembly, unidirectional freezing, freezing drying, and thermal imidization process. Each layer of gradient PI aerogels was consisted of oriented channel-like pores along the freezing direction. The gradient PI/graphene composite aerogels exhibited anisotropic conductivity and heat transfer property. The conductivity of composite aerogels in the perpendicular direction of oriented channel-like pores was higher than that along the direction of oriented pores. The heat transfer from the high-density end to the low-density end of gradient density composite aerogels was faster. Compared with those of homogeneous composite aerogel with same density, the compression yield stress of gradient density composite aerogels obviously decreased, and their compression platform region also obviously shortened. Moreover, when the compressive strain exceeded 35%, the compressive strength of gradient composite aerogel with more layers was much higher.     

相变套管式储热系统放冷性能实验研究

搭建了套管式相变储热实验系统，分别填充不同质量分数膨胀石墨与正十五烷制备而成的复合相变材料，对系统进行重复充放冷循环实验。采用有效储热比E_st和储能效率ε来表征系统性能，研究了复合相变材料中换热增强对套管式潜热储能系统放冷性能的影响。结果表明：同Re数下，相变材料热导率为0.14 W·m^-1·K^-1（工况A）放冷结束时间为1770 s，相同Re条件下热导率提升至7.10 W·m^-1·K^-1（工况B）和11.60 W·m^-1·K^-1（工况C）的结束时间分别可缩短77.3%、78.9%；热导率的增加可显著提高系统有效储热比E_st和储能效率ε，热导率从0.14 W·m^-1·K^-1增加到11.60 W·m^-1·K^-1，E_st在层流区、过渡区和湍流区分别可提升33.3%、350.0%及129.6%，ε分别可提升26.8%、52.9%及14.6%；Re的增加使得工况A和工况B中E_st和ε呈现下降趋势，工况C中E_st在Re=4298出现峰值1.62。     

Nanocarbon aerogel complexes inspired by the leaf structure

Inspired by the structure of a leaf, which is constituted of veins, midribs and laminas, we report the synthesis of aerogels based on nanocarbon complexes that exhibit good electrical conductivity, large internal surface area and stable structural integrity upon cyclic compression. These materials are prepared as monolithic solids from suspensions of unzipped and partially exfoliated multi-walled carbon nanotubes. Under optimized oxidation conditions, all the walls of the multi-walled carbon nanotubes are unzipped but only the outer tubes are exfoliated, creating nanoscale multi-layered graphene oxide sheets attached to inner trench-like structures. The exfoliated parts provide high surface area and functional groups, while the inner trench-like structures remain relatively intact and thus retain their electrical conductivity and mechanical properties, which facilitates charge transport and structural stability for the aerogel. The hydrophilic functional groups on the graphene oxide nanosheets make these structures highly soluble, and as a result, the density and mechanical properties can be adjusted to a large extent without sacrificing the porosity or cell wall uniformity. These nanocarbon aerogel complexes exhibit high damping capability with no significant change in piezoresistive properties after more than 4500 compressive cycles, and its original shape can be recovered quickly after compression release.