石墨烯氣凝膠結構調控研究取得進展

石墨烯是碳原子以sp2雜化方式構建的二維蜂窩狀納米片層，因其優異的理化性能和超大的理論比表面積，在光電、催化、感測器、環境修復等的領域都展現出良好的應用發展前景。石墨烯片層組裝構建的三維網路結構氣凝膠，不但良好保持了片層的優良特性，同時在環境修復應用中還便於回收和循環使用，是石墨烯應用的重要發展方向。溶膠-凝膠法是製備石墨烯氣凝膠最常用的方法，但片層凝膠化組裝過程不可避免會發生片層的面對面堆垛，最終得到的氣凝膠比表面積小，結構較脆、易碎。目前雖有大量研究表明通過引入各式各樣修飾結構，可抑製片層的堆垛，增強氣凝膠的機械性能等，然而如何簡單地僅通過調控納米片層自身結構就能達到相同的目的卻很難實現。

中國科學院城市環境研究所納米環境功能材料研究組（付明來研究組）基於已有石墨烯研究基礎，通過調控納米片層上含氧結構的分布，破壞片層表面原本穩定的氫鍵網路，使納米片層能在簡單的水溶液中發生褶皺，實現片層的自我堆垛抑制，同時研究發現採用該片層構建的氣凝膠具有更優異的機械彈性和疏水性。該氣凝膠對常見油類和有機溶劑的吸附容量可達154-325 g/g，相對於常規氣凝膠的吸附容量提高了224%-406%，可應用在水體中有機污染物的高效選擇去除。

該研究成果基於納米片層基礎結構，充分利用二維材料結構優勢，優化氣凝膠性能，更強調了結構基礎研究的重要性。相關論文「Tuning oxygen clusters on graphene oxide to synthesize graphene aerogels with crumpled nanosheets for effective removal of organic pollutants」發表在Carbon（Carbon2019, 143, 897-907）上。

該研究得到國家自然科學基金、廈門市科技項目和中日合作項目的支持。

圖：片層調控構建氣凝膠過程示意及氣凝膠的優異疏水性和彈性

來源：中國科學院城市環境研究所

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