石墨烯氣凝膠是由三維石墨烯網絡構成的海綿狀材料，這種新型多孔材料具有巨大的技術前景。其獨特的潛力是基于將剝落的石墨烯的納米級特性與氣凝膠材料的可調節(jié)宏觀特性相結合，包括可控的孔隙率、大表面積、靈活的機械性能和超低密度。因此，基于石墨烯的氣凝膠已在一系列技術中成功應用，包括環(huán)境修復、結構復合材料、生物材料、電子、傳感器、能量存儲等領域。另外，將無機納米顆粒復合到石墨烯氣凝膠中有望在現有技術中大幅提高氣凝膠的性能。最近，基于石墨烯的氣凝膠復合類水滑石化合物涌現了許多研究，具有可觀的應用前景。類水滑石化合物，也稱為層狀雙氫氧化物（LDH），是層狀陰離子粘土，含有二價金屬離子和三價金屬離子。由于其靈活的化學組成和出色的原子金屬分散性，LDH顆粒是功能性無機納米顆粒的理想前體。
英國利茲大學Robert?Menzel和帝國理工學院Diana?Iruretagoyena等人報道了氧化石墨烯（rGO）氣凝膠在當前兩種重要商業(yè)吸附的應用中，為水滑石衍生的納米顆粒（MgAl-混合金屬氧化物MgAl-MMO）提供了高度穩(wěn)定的多功能多孔載體。與未負載的納米顆粒粉末相比，氣凝膠負載的MgAl-MMO納米顆粒在吸附脫硫性能方面表現出顯著增強，有機硫吸收能力增長大于100％。此外，在高溫和高CO2壓力下評估了該復合氣凝膠的CO2吸附性能，其總CO2容量是無載體納米顆粒的兩倍以上，達到2.36 mmol·CO2?g?1?ads，優(yōu)于其他高壓CO2吸附劑。該研究以題為“Electrically Heatable Graphene Aerogels as Nanoparticle Supports in Adsorptive Desulfurization and High-Pressure CO2?Capture”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【復合氣凝膠的制備】
為了在高負載量的rGO氣凝膠上負載納米顆粒，作者通過LDH修飾的GO聚合物輔助濕化學組裝法制備了復合氣凝膠。該氣凝膠是由三個階段合成的（圖1）。第一階段，將預先合成的LDH顆粒徹底分散在GO /聚合物水溶液中，帶正電的LDH納米粒子通過靜電作用吸附到帶負電的GO片上，從而在溶液中形成LDH修飾的GO納米片。然后將水溶液倒入圓柱形模具，借助聚合物添加劑，形成LDH / GO水凝膠。第二階段，將LDH / GO水凝膠單向冷凍，從而獲得氣凝膠中的大孔隙。第三階段，將樣品在還原性氣氛中進行高溫退火，得到最終的復合氣凝膠。退火處理能去除聚合物添加劑，并促進共價交聯，增強混合氣凝膠的結構穩(wěn)定性。此外，退火處理還可以恢復納米碳骨架的石墨結晶度，使最終的復合氣凝膠吸附劑具有導電性，因此可以實現電加熱。
圖1?復合氣凝膠的制備流程
圖2?復合氣凝膠的表征
【有機硫吸附】
作者通過液相有機硫吸附實驗評估了MgAl-MMO/rGO復合氣凝膠，特別是從正辛烷溶液中吸附DBT（圖3）。氣凝膠負載的MgAl-MMO的DBT吸收量是無負載納米顆粒的兩倍（圖3a），這與較大的表面積有關。同樣，DBT吸附等溫線（圖3c）表明MgAl-MMO/rGO氣凝膠的最大DBT吸收能力是無載體粉末的兩倍（圖3c）。此外，對于很難通過常規(guī)脫硫工藝除去的4,6-二甲基二苯并噻吩（4,6-DMDBT），該氣凝膠的吸附容量也有較大的提高（提高了123％）。純rGO氣凝膠沒有檢測到DBT或DMDBT吸收，即rGO本身沒有明顯的有機硫吸附能力。因此，吸附性能的改善完全歸因于顆粒在高表面積納米碳骨架上的分散性增強以及由此產生的較高濃度的可吸附位點。除了吸附容量提升，MgAl-MMO/rGO氣凝膠吸附劑還展現出顯著的有機硫吸收速度，比無載體粉末快30倍以上（圖3b）。
圖3?有機硫吸附性能評估
【高壓CO2吸附】
作者研究了高溫（300°C）下的CO2吸附（圖4）。MgAl-MMO/rGO氣凝膠的總CO2容量值為2.36?mmol·CO2?g-1?ads，明顯優(yōu)于其他固態(tài)CO2吸附劑（圖4d）。與無載體粉末相比，該復合氣凝膠在較寬的CO2壓力范圍內（0.2-10 bar）都能表現出可觀的CO2容量，如高壓CO2吸附等溫線所示（圖4b）。其容量增強在高壓條件下尤為明顯，8 bar時就比已經表現良好的無載體MgAl-MMO粉末高230％以上（圖4b）。這種顯著的增強很大程度上來自于改進的納米顆粒分散性。其次，可能與氣凝膠負載的吸附劑在高氣壓下抵抗顆粒被壓實有關。在這種高壓條件下，疏松的粉末吸附劑將經歷明顯的壓實和孔塌陷，導致表面積減小。相比之下，復合氣凝膠吸附劑中的交聯納米碳網絡為顆粒壓縮提供了機械支撐，從而允許在高氣壓下保持更好的吸附位點。
圖4?高壓CO2的吸附能力評估
總結：作者報道了一種簡便的方法，通過LDH修飾的GO納米片的聚合物輔助組裝，在多孔rGO氣凝膠載體上以高達20％的負載量支撐金屬氧化物和金屬納米顆粒。該研究將LDH衍生的納米顆粒負載在大孔氣凝膠中，可顯著改善其有機硫吸附特性。同時，氣凝膠吸附劑具有出色的CO2吸附能力，最高可吸附2.36?mmol?CO2?g-1 ads。氣凝膠負載的MgAl-MMO在兩個獨立吸附應用中的出色性能清楚地證明了rGO氣凝膠具有出色的穩(wěn)定支持功能。LDH衍生的納米顆粒在GO氣凝膠上的可靠負載有效地抑制了吸附劑使用和再生過程中的納米顆粒破壞和失活問題。
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