石墨烯氣凝膠是一種高強度氧化氣凝膠，具有高彈性、強吸附的特點，應用前景廣闊。

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，取名碳海綿。它是世界上已知的最輕固體材料。這一成果被權威科學雜志《自然》在研究要聞;欄目中重點配圖評論(2013年2月28日的第494期404頁)。相關論文于2013年2月18日在線發(fā)表在材料科學界權威的學術雜志《先進材料》(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，它的內(nèi)部有很多孔隙，充滿空氣。

2011年，美國科學家合作制造了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，是當時最輕的固體材料。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。從公開的報道看，碳海綿是世界上最輕的固體。

在浙大實驗室，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%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑有超快、超高的吸附力，是已被報道的吸油力最強的材料?，F(xiàn)有吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而碳海綿能吸收250倍左右，最高可達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來，因為有彈性，吸進的油又擠出來回收，碳海綿也可以重新使用。

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

發(fā)展

浙江大學實驗室誕生全碳氣凝膠，密度僅為空氣的八分之一。

浙江大學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錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”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，全碳氣凝膠的密度僅為空氣密度的1/8。日前，這一進展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。

據(jù)介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀錄的最輕的一類物質，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。1931年，美國科學家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號“凝固的煙”。2011年，美國HRL實驗室、加州大學歐文分校和加州理工學院合作制備了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當時最輕材料的紀錄。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)這個極限？

我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3。科學家一直在探索石墨高效利用的方法?！鞍咽兂墒ㄒ环N由碳原子構成的單層片狀結構），其價值可以上升數(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錄。

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

在實驗室，記者看到了一個個大小不等的“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)個孔隙。

“就像體育場館等大型空間結構，用鋼筋做支架，用高強度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強?！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?！?/p>

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

科學家介紹說，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，科學家主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結構，但依賴于模板的精細結構和尺寸，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)模制造和應用成為可能。

“不需要模板，只與容器有關。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、強吸附，應用前景廣闊

《自然》雜志點評的標題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認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%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報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900倍，而且只吸油不吸水?！按笪竿酢背杂袡C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來，因為有彈性，吸的油能夠被壓出來回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用?！笨蒲腥藛T表示。

實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究?？蒲腥藛T說，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復合材料。不過，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學家還很難準確預計其應用領域與前景，還得依靠社會以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個新材料走出實驗室，實現(xiàn)應用價值。

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”這一紀錄又被科學家超越了。

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……這一紀錄被浙江大學的高超教授所制備的碳氣凝膠打破，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存至多高達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。

當然，科學家們還在努力研究這玩意的其他用途，比如電能儲存、隔熱、用作催化劑的載體之類的。

制備方法

一種高強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,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，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，冷凍干燥，得到高強度的氧化石墨烯氣凝膠。本發(fā)明的優(yōu)點在于，制備方法簡單，在氧化石墨烯氣凝膠的制備基礎上，經(jīng)過簡單的氨水處理即可提高其機械強度，能耗低無污染，配合其微觀多孔結構，在吸附和催化方面具有很大的應用前景。

世界紀錄

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；由浙江大學高分子科學與工程系高超教授（中國）領導的研究團隊制作。該材料于2013年2月27日發(fā)表在《自然》雜志上。（吉尼斯世界紀錄）