氣凝膠曾被譽(yù)為改變世界的新材料，在航空航天、國防等高技術(shù)領(lǐng)域及建筑、工業(yè)管道保溫等民用領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用前景。從結(jié)構(gòu)上看，氣凝膠是由零維的量子點(diǎn)、一維的納米線或者二維的納米片等低維納米結(jié)構(gòu)經(jīng)三維組裝而成的超輕多孔納米材料。低維納米結(jié)構(gòu)的各種變量，如幾何形狀、尺寸、密度、表面形貌、化學(xué)屬性等參數(shù)，都會對最終獲得的氣凝膠性能產(chǎn)生重要影響。
迄今為止，已有多種低維納米結(jié)構(gòu)組裝成功能各異的氣凝膠，但這些納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸均在100納米以下，甚至僅僅為幾個(gè)納米。對于結(jié)構(gòu)單元的尺寸大于100納米（即亞微米級）的氣凝膠的制備挑戰(zhàn)巨大，這主要是由兩方面原因造成的：一是氣凝膠結(jié)構(gòu)單元的尺寸越大，其比表面積越小（兩者成反比關(guān)系）。對于亞微米級的結(jié)構(gòu)單元，無論其為無機(jī)物（密度較高）還是有機(jī)物（密度較低），獲得的氣凝膠的比表面積都非常小，因而失去了氣凝膠比表面積大這一優(yōu)異特征；二是無論納米級結(jié)構(gòu)單元之間的連接是物理作用或者化學(xué)鍵合，隨著結(jié)構(gòu)單元尺寸的變大，連接處的原子占總原子數(shù)的比例會急劇降低，因而組裝后的氣凝膠材料會隨著結(jié)構(gòu)單元尺寸變大而急劇變脆。
針對這些挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同帶領(lǐng)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)與英國倫敦大學(xué)學(xué)院教授宋文輝及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授閆立峰等合作，以平均直徑達(dá)到220納米的導(dǎo)電高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球?yàn)榍膀?qū)體，以氧化石墨烯為交聯(lián)劑，先后通過溶膠-凝膠工藝、超臨界流體萃取工藝、高溫?zé)崽幚砉に嚨汝P(guān)鍵步驟（圖1），成功獲得了一種新型的全碳?xì)饽z，即石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠（圖2）。交聯(lián)劑石墨烯的存在，把球與球之間的點(diǎn)對點(diǎn)接觸巧妙轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對面接觸，因而提高了最終氣凝膠的力學(xué)性能；空心球結(jié)構(gòu)的使用，以及在亞微米級空心球殼層上造出的大量微孔，保證了獲得的最終氣凝膠具有大的比表面積；而前驅(qū)體導(dǎo)電高分子的選擇，使得最終的全碳?xì)饽z實(shí)現(xiàn)了氮元素的摻雜。
研究獲得的石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠具有低密度（(51-67mg/cm3)、高導(dǎo)電性（263-695S/m）、高比表面積（569-609m2/g）、高楊氏模量（1.8MPa）等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望在能源（捕獲、存儲、轉(zhuǎn)換）、傳感、催化、吸附、分離、功能復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，將石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠作為電極材料應(yīng)用在U-型熱電化學(xué)池上，電池的輸出功率高達(dá)1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1)，其相對卡諾循環(huán)的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)1.4%，這些數(shù)值遠(yuǎn)高于目前同類型器件的數(shù)值。
該工作為大尺寸粒子組裝成氣凝膠提供了很好的設(shè)計(jì)思路，解決了由亞微米結(jié)構(gòu)單元制備功能性氣凝膠的技術(shù)難題。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nano Energy (2017, 39, 470 – 477)上。中科院蘇州納米所碩士生董大鵬和郭海濤為該論文的共同第一作者。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51572285,21373024）、科技部（2016YFA0203301）和中科院蘇州納米所的經(jīng)費(fèi)支持。
圖1 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠制備工藝路線示意圖
圖2 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠：（a）花瓣上的氣凝膠；(b)氣凝膠的掃描電子顯微鏡照片；(c)氣凝膠的透射電子顯微鏡照片；（d）氣凝膠的氮?dú)馕摳角€。
