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四川大學葉林教授團隊 Small：自組裝構建堅韌超彈石墨烯氣凝膠用于甲醛高效去除及多功能應用研究

2023-03-24 來源：高分子科技

具有低密度、高比表面積及三維多孔納米網絡結構的石墨烯氣凝膠（GA）近年來引起極大關注，廣泛用于儲能、柔性電子器件、環境治理等領域。然而，由于氣凝膠內部石墨烯片層間較弱的π-π堆疊、范德華力作用，導致其機械性能較差，在外力作用下易發生結構坍塌、變形，在不損傷其超輕特性、導電性等優異性能前提下，使其同時兼具卓越的機械強度和回彈性仍具挑戰性。另一方面，甲醛是一種典型的致癌揮發性有機化合物（VOC），廣泛用于制造各種工業產品，尤其對于聚甲醛（POM），作為建筑、機械零部件、汽車等大量應用的工程塑料，在高溫熔融加工過程中在熱、氧作用下易降解，并在其長期使用過程中釋放出殘留的游離甲醛，造成嚴重環境污染而危害人類健康，而具有超大比表面積的石墨烯氣凝膠是去除甲醛、降低VOC的理想吸附材料。

近期，四川大學高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室葉林教授團隊在堅韌超彈石墨烯氣凝膠構建及其在甲醛吸附去除、壓阻傳感、隔熱等領域的應用研究方面取得重要進展。將柔性、高氨基密度聚乙烯亞胺（PEI）化學接枝于碳納米管（CNT）表面，獲得CNT-PEI雜化物，將其與氧化石墨烯（GO）復合，采用獨特的1D/2D自組裝策略制備了CNT-PEI@rGA石墨烯基氣凝膠，其具超低密度（9.6 mg?cm^-3），CNT-PEI的引入有助于石墨烯納米片層（rGO）的相互連接，發揮其交聯、支撐、增韌作用，構建出孔壁互連的柔性3D網絡骨架，從而有效避免石墨烯片層在外力作用下的滑移和網絡結構的破壞，表現出極高的壓縮強度（276.37kPa）、在90%應變下優異的可逆壓縮性及超彈性，在100次循環壓縮實驗中，其壓縮強度/楊氏模量/能量損失系數保留率分別達95.65%/95.79% /91.72%，表現出突出的結構穩定性及抗疲勞性。

圖1超輕CNT-PEI@rGA孔壁互連的3D網絡結構

圖2 CNT-PEI@rGA優異的力學強韌性、可逆壓縮性和抗疲勞性

同時，將纏結的CNT-PEI插層于rGO片層間，有效避免氣凝膠片層的嚴重堆積，產生更大的表面積和更多的甲醛吸附位點，發揮其高效物理-化學協同吸附效應，其甲醛吸附容量高達568.41mg?g^-1，約為rGA的3.28倍，其吸附能力優于沸石、活性炭、金屬有機框架（MOF）、多孔有機聚合物等大多數吸附材料；進一步將CNT-PEI@rGA研磨成粉末，其高強韌性使其保持了豐富的孔結構及高比表面積，將0.9wt%氣凝膠粉末填充于聚甲醛基體中，采用常規熔融加工工藝制備復合材料，其分散均勻，在60℃/230℃下復合材料甲醛釋放量相對于普通聚甲醛分別降低69.63%/73.96%。此外，CNT-PEI@rGA氣凝膠還具優異的壓阻傳感和隔熱性能，表現出高應變靈敏度、寬應變檢測范圍和長期輸出穩定性，擴大了其在環境、智能器件、隔熱領域的潛在應用。

圖3 CNT-PEI@rGA高效甲醛吸附效應及物理-化學協同吸附機理

圖4 CNT-PEI@rGA粉末均勻分散于聚甲醛基體而顯著降低其甲醛釋放量

該工作以“Self-Assembled Construction of Robust and Super Elastic Graphene Aerogel for High-Efficient Formaldehyde Removal and Multifunctional Application”為題發表于Small，四川大學高分子研究所博士研究生王無憂為論文第一作者，葉林教授為通訊作者。

文章信息：Wuyou Wang, Xiaowen Zhao, Lin Ye*, Self-Assembled Construction of Robust and Super Elastic Graphene Aerogel for High-Efficient Formaldehyde Removal and Multifunctional Application, Small, 2023

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300234

下載：Self-Assembled Construction of Robust and Super Elastic Graphene Aerogel for High-Efficient Formaldehyde Removal and Multifunctional Application

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（責任編輯：xu）

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