可放在花瓣上的房子——碳气凝胶大厦

2017 年 8 月 20 日 中科院之声 董大鹏李广勇

生活中，建筑师将一砖一瓦搭建成宏伟的大厦或者舒适的住宅。而在材料科学领域中，科学家也化身为建筑师，不同的是他们是在构建一种新型材料——气凝胶。

气凝胶就如同现实中的房屋一样，里面有很多的小房间，每个房间之间都有走廊过道相通，故我们可以将气凝胶想象成一座大厦。当然，气凝胶大厦和现实中的房屋也有许多不同的地方：首先是尺寸，气凝胶大厦中“房间”远远小于现实中的房间，其大小处于纳米级别；其次是建筑材料，气凝胶大厦是由尺寸在纳米级别的“砖块”搭接而成，而非生活中的砖瓦水泥等建筑材料。利用纳米砖块修建而成的气凝胶大厦，其内部百分九十以上都是被空气填充的空房间，因此气凝胶大厦非常的空旷（高孔隙率）且极轻（低密度）。

纳米砖块过大有可能建成“豆腐渣工程”

气凝胶展现出低密度、高孔隙率、高比表面积及独特的机械、热/电等性能，在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极其广泛的应用前景。

迄今为止，科学家已经将多种纳米砖块修筑成功能各异的气凝胶大厦，但这些纳米砖块的尺寸均在100纳米以下，甚至仅仅为几个纳米。这是因为气凝胶的制备不同于房屋的建造过程。对于气凝胶而言，结构单元的尺寸大于100纳米时，气凝胶的制备挑战巨大，这主要是由两方面原因造成的：一是气凝胶结构单元的尺寸越大，其比表面积越小（两者成反比关系，如图1c所示）。所以当选用亚微米尺寸的砖块搭建气凝胶，其高表面积这一特性将会丧失；二是无论纳米级结构单元之间的连接是物理作用或者化学键合，随着结构单元尺寸的变大，连接处的原子占总原子数的比例会急剧降低，结构单元之间结合力减弱（如图1a-b）。

因此，当选用亚微米尺寸的砖块去搭建气凝胶大厦，就会因为砖块之间结合不牢固成为易碎的豆腐渣工程。

新型的全碳气凝胶——石墨烯交联的碳空心球

对这些挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院教授宋文辉及中国科学技术大学教授闫立峰等合作，以平均直径达到220纳米的导电高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球作为气凝胶的建筑砖块，用氧化石墨烯将其牢固粘接在一起，先后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤（图1所示），成功获得了一种新型的全碳气凝胶，即石墨烯交联的碳空心球气凝胶（图2所示）。

交联剂石墨烯的存在，把球与球之间的点对点接触巧妙转化为点对面接触（如图1所示），从而提高了最终气凝胶的力学性能；空心球结构的使用，以及在亚微米级空心球壳层上造出的大量微孔，保证了获得的最终气凝胶具有大的比表面积；而前驱体导电高分子的选择，实现了对全碳气凝胶的氮元素掺杂。

图1. (a)粒子“点-点”组装示意图；(b) 粒子和石墨烯“点-面”组装示意图；(c)粒子尺寸与其比表面积关系；(d)气凝胶合成示意图

研究获得的石墨烯交联的碳空心球气凝胶具有低密度（(51-67mg/cm³)、高导电性（263-695S/m）、高比表面积（569-609m²/g）、高杨氏模量（1.8MPa）等诸多优点，有望在能源（捕获、存储、转换）、传感、催化、吸附、分离、功能复合材料等领域得到广泛应用。例如，将石墨烯交联的碳空心球气凝胶作为电极材料应用在U-型热电化学池上，利用温差发电，该电池的输出功率高达1.05 W·m^-2 (6.4 W·Kg^-1)，其相对卡诺循环的能量转化效率高达1.4%，这些数值远高于目前同类型器件的数值。将来这种热电化学池有望应用到智能住宅当中，利用室内外温差为住宅提供电能。另外，还可以将该碳气凝胶应用到空气过滤装置当中，吸附空气中的甲醛等有害气体。同时，该碳气凝胶还可以应用到水污染治理当中，利用其高比表面积吸附水体污染物，净化水体。