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四川大學(xué)葉林教授團(tuán)隊 Small：自組裝構(gòu)建堅韌超彈石墨烯氣凝膠用于甲醛高效去除及多功能應(yīng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠（GA）近年來引起極大關(guān)注，廣泛用于儲能、柔性電子器件、環(huán)境治理等領(lǐng)域。然而，由于氣凝膠內(nèi)部石墨烯片層間較弱的π-π堆疊、范德華力作用，導(dǎo)致其機(jī)械性能較差，在外力作用下易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌、變形，在不損傷其超輕特性、導(dǎo)電性等優(yōu)異性能前提下，使其同時兼具卓越的機(jī)械強(qiáng)度和回彈性仍具挑戰(zhàn)性。另一方面，甲醛是一種典型的致癌揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），廣泛用于制造各種工業(yè)產(chǎn)品，尤其對于聚甲醛（POM），作為建筑、機(jī)械零部件、汽車等大量應(yīng)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(yán)重環(huán)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(xué)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(tuán)隊在堅韌超彈石墨烯氣凝膠構(gòu)建及其在甲醛吸附去除、壓阻傳感、隔熱等領(lǐng)域的應(yīng)用研究方面取得重要進(jìn)展。將柔性、高氨基密度聚乙烯亞胺（PEI）化學(xué)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(fù)合，采用獨(dú)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(fā)揮其交聯(lián)、支撐、增韌作用，構(gòu)建出孔壁互連的柔性3D網(wǎng)絡(luò)骨架，從而有效避免石墨烯片層在外力作用下的滑移和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞，表現(xiàn)出極高的壓縮強(qiáng)度（276.37kPa）、在90%應(yīng)變下優(yōu)異的可逆壓縮性及超彈性，在100次循環(huán)壓縮實驗中，其壓縮強(qiáng)度/楊氏模量/能量損失系數(shù)保留率分別達(dá)95.65%/95.79% /91.72%，表現(xiàn)出突出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗疲勞性。


圖1超輕CNT-PEI@rGA孔壁互連的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)


圖2 CNT-PEI@rGA優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)韌性、可逆壓縮性和抗疲勞性


  同時，將纏結(jié)的CNT-PEI插層于rGO片層間，有效避免氣凝膠片層的嚴(yán)重堆積，產(chǎn)生更大的表面積和更多的甲醛吸附位點，發(fā)揮其高效物理-化學(xué)協(xié)同吸附效應(yīng)，其甲醛吸附容量高達(dá)568.41mg?g-1，約為rGA的3.28倍，其吸附能力優(yōu)于沸石、活性炭、金屬有機(jī)框架（MOF）、多孔有機(jī)聚合物等大多數(shù)吸附材料；進(jìn)一步將CNT-PEI@rGA研磨成粉末，其高強(qiáng)韌性使其保持了豐富的孔結(jié)構(gòu)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(guī)熔融加工工藝制備復(fù)合材料，其分散均勻，在60℃/230℃下復(fù)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(yōu)異的壓阻傳感和隔熱性能，表現(xiàn)出高應(yīng)變靈敏度、寬應(yīng)變檢測范圍和長期輸出穩(wěn)定性，擴(kuò)大了其在環(huán)境、智能器件、隔熱領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。


圖3 CNT-PEI@rGA高效甲醛吸附效應(yīng)及物理-化學(xué)協(xié)同吸附機(jī)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(fā)表于Small，四川大學(xué)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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