石墨烯气凝胶

石墨烯气凝胶是一种高强度氧化气凝胶，具有高弹性、强吸附的特点，应用前景广阔。

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2013年3月19日讯：浙大高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名碳海绵。它是世界上已知的最轻固体材料。这一成果被权威科学杂志《自然》在研究要闻;栏目中重点配图评论(2013年2月28日的第494期404页)。相关论文于2013年2月18日在线发表在材料科学界权威的学术杂志《先进材料》(Advanced Materials)上。

高超教授说，碳海绵是一种气凝胶――世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。

2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。

高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶――碳海绵。碳海绵每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从公开的报道看，碳海绵是世界上最轻的固体。

在浙大实验室，有不少大小不等的碳海绵，大的像网球，小的像酒瓶塞，灰不溜秋，摸上去很有弹性。

高教授说，碳海绵可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而碳海绵能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。

碳海绵这一特性可用来处理海上原油泄漏事件――把碳海绵撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。

另外，碳海绵还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。

发展

浙江大学实验室诞生全碳气凝胶，密度仅为空气的八分之一。

浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶——它刷新了世界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，而空气密度为每立方厘米1.29毫克，全碳气凝胶的密度仅为空气密度的1/8。日前，这一进展被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。

据介绍，气凝胶是入选吉尼斯世界纪录的最轻的一类物质，因其内部有很多孔隙，充斥着空气，故而得名。1931年，美国科学家用二氧化硅制得了最早的气凝胶，外号“凝固的烟”。2011年，美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，创下了当时最轻材料的纪录。把这种材料放在蒲公英花朵上，柔软的绒毛几乎没有变形——这张照片入选了《自然》杂志年度十大图片，也给高超留下了深刻印象：能不能制备出一种材料，挑战这个极限？

我国的石墨储备非常丰富，占全世界的2/3。科学家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨变成石墨烯（一种由碳原子构成的单层片状结构），其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索，制备出了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。这次，他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一纪录。

制作简便——形状、尺寸可任意调节，大规模制造成可能

在实验室，记者看到了一个个大小不等的“碳海绵”：它们大的如网球，小的如酒瓶塞。在电子显微镜下，碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙。

“就像体育场馆等大型空间结构，用钢筋做支架，用高强度的薄膜等做墙壁，材料整体既轻且强。”课题组博士生孙海燕说，“在这里，碳纳米管就是支架，石墨烯就是墙壁。”

在已报道的成果中，高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者——可达到0.16毫克/立方厘米，低于氦气的密度。相关论文2月18日在线发表在《先进材料》上。但课题组对申报吉尼斯世界纪录兴趣不大，“‘轻’并不是它最大的新意所在”。高超解释：它的价值在于其简便的制备方法，以及材料所展现出来的优越性能。

科学家介绍说，气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂，让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中，科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能产生有序的结构，但依赖于模板的精细结构和尺寸，难以大量制备。高超课题组另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了“碳海绵”，并且可以任意调节形状，令生产过程更加便捷，也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

“不需要模板，只与容器有关。容器多大，就可以制备多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”高超说。

性能优越——高弹性、强吸附，应用前景广阔

《自然》杂志点评的标题是：《固体碳：弹性而轻盈》，认为这一新生事物的性能令人惊喜。

据介绍，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油，“可以把它们撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收进来，因为有弹性，吸的油能够被压出来回收利用，‘碳海绵’也可以重新使用。”科研人员表示。

实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员说，“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过，这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿，科学家还很难准确预计其应用领域与前景，还得依靠社会以及产业界的想象力，让这个新材料走出实验室，实现应用价值。

世界最轻材料：石墨烯气凝胶

从最巨大的建筑到最小的零件，从最坚硬到最柔软的材料，人类一直致力于超越各种“之最”。“最轻的材料”这一纪录又被科学家超越了。

之前2011年的记录是每立方厘米0.9毫克，后来在同一年被0.18毫克每立方厘米的数据刷新……这一纪录被浙江大学的高超教授所制备的碳气凝胶打破，其密度仅为0.16毫克每立方厘米。

不同于一般制备气凝胶的溶胶凝胶法，他们用冷冻干燥法将纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液干燥，得到这种由碳构成的海绵状材料。

这种材料具有极高的弹性，被压缩后可以弹回原状，同时还具备极高极快的吸附能力，每一克气凝胶可以以68.8克每秒的速度吸收储存至多高达900克的油。显然，这玩意是用来吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

当然，科学家们还在努力研究这玩意的其他用途，比如电能储存、隔热、用作催化剂的载体之类的。

制备方法

一种高强度氧化石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于包括以下过程：（1）将氧化石墨烯粉末与去离子水配成浓度为0.1-10mg/ml水溶液，超声震荡0.1-5小时,得到分散良好的氧化石墨烯水溶液；（2）将配置好的氧化石墨烯水溶液取10-500ml加入水热釜中，90-200℃温度下处理1-24小时，制备出氧化石墨烯水凝胶；（3）将制备出的氧化石墨烯水凝胶放入氨水中，0-150℃，浸泡1-36小时，冷冻干燥，得到高强度的氧化石墨烯气凝胶。本发明的优点在于，制备方法简单，在氧化石墨烯气凝胶的制备基础上，经过简单的氨水处理即可提高其机械强度，能耗低无污染，配合其微观多孔结构，在吸附和催化方面具有很大的应用前景。

世界纪录

密度最低的固体：密度最低的固体：世界上最小的固体是一种石墨烯气凝胶，其密度只有0.16毫克/cm³；由浙江大学高分子科学与工程系高超教授（中国）领导的研究团队制作。该材料于2013年2月27日发表在《自然》杂志上。（吉尼斯世界纪录）