現(xiàn)階段，迫切需要對成型技術(shù)有深入的了解，以便精確地調(diào)整石墨烯氣凝膠(GA)的孔結(jié)構(gòu)來適應(yīng)各種應(yīng)用背景。在本文中，通過使用從-10℃到-196°C冷凍的冰晶模板進(jìn)行冷凍鑄造，以此調(diào)節(jié)GA的微觀結(jié)構(gòu)和性能。采用相場模擬方法研究了石墨烯-水系統(tǒng)在冷凍過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均表明，過冷度是冰晶成核和生長的基礎(chǔ)，并主導(dǎo)了GA的衍生形態(tài)。通過將冷凍溫度從-10°C降低到-196°C，GA的孔徑大小從240 μm調(diào)控到6 μm，但恒定密度始終保持在8.3 mg cm
-3。快速冷凍澆鑄使GA具有精細(xì)的孔結(jié)構(gòu)，因此展現(xiàn)出更好的熱，電和壓縮性能，而緩慢凍結(jié)的GA由于形成了連續(xù)且呈管狀的石墨烯薄片而具有更好的吸收性能。在-196°C下冷凍的GA表現(xiàn)出最高的楊氏模量327 kPa，其密度與文獻(xiàn)報道的密度相似。這些發(fā)現(xiàn)表明，具有可控孔形態(tài)GA的各種潛在應(yīng)用，并且有助于低溫誘導(dǎo)的相分離方法。
Fig. 1 GO懸浮液的(a) TEM圖和(b) HRTEM圖；(c)大塊GO的強(qiáng)度分布圖；(d) GO和GA的XRD圖；(e) GA的c1s XPS譜；(f) GO和GA的拉曼光譜；(g)還原前和 (h) 還原后GO與水的接觸角。
Fig. 2 在不同溫度下凍結(jié)的GA多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SEM頂視圖：(a) -10°C，(b) -20°C，(c)-40°C，(d) -70°C，(e) -100°C，和(f) -196°C。
Fig. 3 (a)冰晶結(jié)晶過程中GH的溫度變化；(b) GH中冰晶生長的示意圖；(c)不同冷凍條件下GA結(jié)晶的示意圖。
Fig. 4 (a)成核和生長速率隨過冷度的變化；(b)溫度拐點(diǎn)、(c)結(jié)晶周期、(d)平均孔徑隨凍結(jié)溫度的變化。
Fig. 5 不同溫度下的等溫凝固模擬結(jié)果：(a) -10°C；(b) -20°C；(c) -40 °C；(d) -70°C；(e) -100°C和 (f)-196°C。
Fig. 6 (a) GA最大應(yīng)變85%以下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)在−196°C凍結(jié)的GA的楊氏模量與當(dāng)前研究的比較；(c-d) GA最大應(yīng)變50%以下的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(曲線1、10)。(e)和(f) GA壓縮后在-10°C和-20°C凍結(jié)的SEM圖。
Fig. 7 (a) GA對各種化學(xué)溶劑和油的吸附能力；(b)去除用蘇丹紅III染色的乙醇照片。
Fig. 8 在不同溫度下凍結(jié)的GA多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SEM側(cè)視圖：(a) -10°C，(b) -20°C，(C) -40°C，(d) -70°C，(e) -100°C，(f) -196°C。
Fig. 9 GA的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電性與凍結(jié)溫度的關(guān)系。
相關(guān)研究成果于2020年由北京科技大學(xué)Hailong Zhang課題組，發(fā)表在Nanoscale (DOI: 10.1039/c9nr07861d )上。原文：Precise control of versatile microstructure and properties of graphene aerogel via freezing manipulation
