石墨烯氣凝膠是一種高強(qiáng)度氧化氣凝膠，具有高彈性、強(qiáng)吸附的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

來源

2013年3月19日訊：浙大高分子系高超教授的課題組制造出一種超輕物質(zhì)，取名碳海綿。它是世界上已知的最輕固體材料。這一成果被權(quán)威科學(xué)雜志《自然》在研究要聞;欄目中重點(diǎn)配圖評(píng)論(2013年2月28日的第494期404頁(yè))。相關(guān)論文于2013年2月18日在線發(fā)表在材料科學(xué)界權(quán)威的學(xué)術(shù)雜志《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。

高超教授說，碳海綿是一種氣凝膠――世界上最輕的一類物質(zhì)，它的內(nèi)部有很多孔隙，充滿空氣。

2011年，美國(guó)科學(xué)家合作制造了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，是當(dāng)時(shí)最輕的固體材料。把這種材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛幾乎沒變形。

高超課題組這些年一直從事石墨烯宏觀材料的研發(fā)。他們用石墨烯制造出了氣凝膠――碳海綿。碳海綿每立方厘米重0.16毫克，比氦氣還要輕，約是同體積大小氫氣重量的兩倍。從公開的報(bào)道看，碳海綿是世界上最輕的固體。

在浙大實(shí)驗(yàn)室，有不少大小不等的碳海綿，大的像網(wǎng)球，小的像酒瓶塞，灰不溜秋，摸上去很有彈性。

高教授說，碳海綿可任意調(diào)節(jié)形狀，彈性也很好，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑有超快、超高的吸附力，是已被報(bào)道的吸油力最強(qiáng)的材料?，F(xiàn)有吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而碳海綿能吸收250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。

碳海綿這一特性可用來處理海上原油泄漏事件――把碳海綿撒在海面上，就能把漏油迅速吸進(jìn)來，因?yàn)橛袕椥裕M(jìn)的油又?jǐn)D出來回收，碳海綿也可以重新使用。

另外，碳海綿還可能成為理想的儲(chǔ)能保溫材料、催化劑載體及高效復(fù)合材料，有廣闊前景。

發(fā)展

浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室誕生全碳?xì)饽z，密度僅為空氣的八分之一。

浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了世界上最輕材料的紀(jì)錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，而空氣密度為每立方厘米1.29毫克，全碳?xì)饽z的密度僅為空氣密度的1/8。日前，這一進(jìn)展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點(diǎn)配圖評(píng)論。

據(jù)介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀(jì)錄的最輕的一類物質(zhì)，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。1931年，美國(guó)科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號(hào)“凝固的煙”。2011年，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)最輕材料的紀(jì)錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形——這張照片入選了《自然》雜志年度十大圖片，也給高超留下了深刻印象：能不能制備出一種材料，挑戰(zhàn)這個(gè)極限？

我國(guó)的石墨儲(chǔ)備非常豐富，占全世界的2/3。科學(xué)家一直在探索石墨高效利用的方法?！鞍咽兂墒ㄒ环N由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)），其價(jià)值可以上升數(shù)千倍?！备叱恼n題組經(jīng)過五六年的探索，制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。這次，他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來沖擊這一紀(jì)錄。

制作簡(jiǎn)便——形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)，大規(guī)模制造成可能

在實(shí)驗(yàn)室，記者看到了一個(gè)個(gè)大小不等的“碳海綿”：它們大的如網(wǎng)球，小的如酒瓶塞。在電子顯微鏡下，碳納米管和石墨烯共同支撐起無數(shù)個(gè)孔隙。

“就像體育場(chǎng)館等大型空間結(jié)構(gòu)，用鋼筋做支架，用高強(qiáng)度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強(qiáng)?！闭n題組博士生孫海燕說，“在這里，碳納米管就是支架，石墨烯就是墻壁。”

在已報(bào)道的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者——可達(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。相關(guān)論文2月18日在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。但課題組對(duì)申報(bào)吉尼斯世界紀(jì)錄興趣不大，“‘輕’并不是它最大的新意所在”。高超解釋：它的價(jià)值在于其簡(jiǎn)便的制備方法，以及材料所展現(xiàn)出來的優(yōu)越性能。

科學(xué)家介紹說，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。高超課題組另辟蹊徑，探索出無模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀，令生產(chǎn)過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。

“不需要模板，只與容器有關(guān)。容器多大，就可以制備多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”高超說。

性能優(yōu)越——高彈性、強(qiáng)吸附，應(yīng)用前景廣闊

《自然》雜志點(diǎn)評(píng)的標(biāo)題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認(rèn)為這一新生事物的性能令人驚喜。

據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機(jī)物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。這讓人想到用它來處理海上的漏油，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔?，就能把漏油迅速地吸收進(jìn)來，因?yàn)橛袕椥裕挠湍軌虮粔撼鰜砘厥绽?，‘碳海綿’也可以重新使用?！笨蒲腥藛T表示。

實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究?？蒲腥藛T說，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲(chǔ)能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學(xué)家還很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。

世界最輕材料：石墨烯氣凝膠

從最巨大的建筑到最小的零件，從最堅(jiān)硬到最柔軟的材料，人類一直致力于超越各種“之最”?！白钶p的材料”這一紀(jì)錄又被科學(xué)家超越了。

之前2011年的記錄是每立方厘米0.9毫克，后來在同一年被0.18毫克每立方厘米的數(shù)據(jù)刷新……這一紀(jì)錄被浙江大學(xué)的高超教授所制備的碳?xì)饽z打破，其密度僅為0.16毫克每立方厘米。

不同于一般制備氣凝膠的溶膠凝膠法，他們用冷凍干燥法將納米碳纖維和石墨烯的混合溶液干燥，得到這種由碳構(gòu)成的海綿狀材料。

這種材料具有極高的彈性，被壓縮后可以彈回原狀，同時(shí)還具備極高極快的吸附能力，每一克氣凝膠可以以68.8克每秒的速度吸收儲(chǔ)存至多高達(dá)900克的油。顯然，這玩意是用來吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

當(dāng)然，科學(xué)家們還在努力研究這玩意的其他用途，比如電能儲(chǔ)存、隔熱、用作催化劑的載體之類的。

制備方法

一種高強(qiáng)度氧化石墨烯氣凝膠的制備方法，其特征在于包括以下過程：（1）將氧化石墨烯粉末與去離子水配成濃度為0.1-10mg/ml水溶液，超聲震蕩0.1-5小時(shí),得到分散良好的氧化石墨烯水溶液；（2）將配置好的氧化石墨烯水溶液取10-500ml加入水熱釜中，90-200℃溫度下處理1-24小時(shí)，制備出氧化石墨烯水凝膠；（3）將制備出的氧化石墨烯水凝膠放入氨水中，0-150℃，浸泡1-36小時(shí)，冷凍干燥，得到高強(qiáng)度的氧化石墨烯氣凝膠。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，制備方法簡(jiǎn)單，在氧化石墨烯氣凝膠的制備基礎(chǔ)上，經(jīng)過簡(jiǎn)單的氨水處理即可提高其機(jī)械強(qiáng)度，能耗低無污染，配合其微觀多孔結(jié)構(gòu)，在吸附和催化方面具有很大的應(yīng)用前景。

世界紀(jì)錄

密度最低的固體：密度最低的固體：世界上最小的固體是一種石墨烯氣凝膠，其密度只有0.16毫克/cm3；由浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程系高超教授（中國(guó)）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)制作。該材料于2013年2月27日發(fā)表在《自然》雜志上。（吉尼斯世界紀(jì)錄）