中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张研究员领导的气凝胶团队与英国伦敦大学学院宋教授、中国科学技术大学颜教授合作，成功获得了一种新型的全碳气凝胶，即石墨烯交联的碳空核气凝胶。
气凝胶曾被誉为改变世界的新材料，在航空空航天等高科技领域、国防以及建筑、工业管道保温等民用领域有着极其广阔的应用前景。从结构上看，气凝胶是一种超轻多孔纳米材料，由零维量子点、一维纳米线或二维纳米片等低维纳米结构通过三维组装而成。低维纳米结构的各种变量，如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学性质等参数，都会对最终气凝胶的性质产生重要影响。
图1石墨烯交联碳空核气凝胶的制备过程示意图
到目前为止，已经有多种低维纳米结构被成功组装成不同性能的气凝胶，但是这些纳米结构单元的尺寸都在100纳米以下，甚至只有几纳米。制备结构单元大于100纳米(亚微米)的气凝胶是一个很大的挑战，这主要是由两个原因造成的:一是气凝胶的结构单元越大，比表面积越小(两者成反比关系)。对于亚微米结构单元，无论是无机(高密度)还是有机(低密度)，所得气凝胶的比表面积都很小，从而失去了气凝胶比表面积大的优良特性。第二，无论纳米级结构单元之间的连接是物理作用还是化学键，随着结构单元尺寸的增大，连接处的原子占原子总数的比例会急剧下降，因此组装的气凝胶材料会随着结构单元尺寸的增大而急剧变脆。
为了应对这些挑战，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张研究员领导的气凝胶团队与英国伦敦大学学院宋、中国科学技术大学颜教授等合作。，以平均直径为220 nm的导电聚合物(聚苯胺聚吡咯共聚物)空球为前驱体，氧化石墨烯为交联剂。通过溶胶-凝胶过程、超临界流体萃取过程、高温热处理过程等关键步骤(图1)，成功获得了一种新型的全碳气凝胶，即石墨烯交联的碳空核气凝胶(图2)。交联剂石墨烯的存在巧妙地将球体之间的点对点接触转化为点对点接触，从而提高了最终气凝胶的力学性能。使用空核球结构和在亚微米核球壳上制造的大量微孔保证了获得的最终气凝胶具有大的比表面积。前体导电聚合物的选择使得最终的全碳气凝胶掺杂有氮。
图2石墨烯交联碳空核气凝胶:(a)花瓣上的气凝胶；(b)气凝胶的扫描电子显微镜照片；(c)气凝胶的透射电子显微镜照片；(d)气凝胶的氮吸附-解吸曲线。本研究获得的石墨烯交联碳空核气凝胶具有许多优点，如低密度((51-67mg/cm3)、高电导率(263-695S/m)、高比表面积(569-609m2/g)、高杨氏模量(1.8MPa)等。有望用于能源(俘获)例如石墨烯交联的碳空核气凝胶在U型热电化学电池中用作电极材料，电池输出功率高达1.05 W & middotm-2(6.4 W & middot；Kg-1)，其能量转换效率相对于卡诺循环高达1.4%，远高于目前同类型装置。
该工作为大尺寸颗粒组装成气凝胶提供了良好的设计思路，解决了从亚微米结构单元制备功能气凝胶的技术难题。相关结果发表在《纳米能源》(2017，39，470-477)。中国科学院苏州纳米技术研究所硕士研究生董大鹏和郭海涛是本文的合著者。
