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用前景。從結構上看，氣凝膠是由零維的量子點(diǎn)、一維的納米線(xiàn)或者二維的納米片等低維納米結構經(jīng)三維組裝而成的超輕多孔納米材料。低維納米結構的各種變量，如幾何形狀、尺寸、密度、表面形貌、化學(xué)屬性等參數，都會(huì )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構組裝成功能各異的氣凝膠，但這些納米結構單元的尺寸均在100納米以下，甚至僅僅為幾個(gè)納米。對于結構單元的尺寸大于100納米（即亞微米級）的氣凝膠的制備挑戰巨大，這主要是由兩方面原因造成的：
一是氣凝膠結構單元的尺寸越大，其比表面積越?。▋烧叱煞幢汝P(guān)系）。對于亞微米級的結構單元，無(wú)論其為無(wú)機物（密度較高）還是有機物（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(wú)論納米級結構單元之間的連接是物理作用或者化學(xué)鍵合，隨著(zhù)結構單元尺寸的變大，連接處的原子占總原子數的比例會(huì )急劇降低，因而組裝后的氣凝膠材料會(huì )隨著(zhù)結構單元尺寸變大而急劇變脆。
針對這些挑戰，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)的氣凝膠團隊與英國倫敦大學(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，以平均直徑達到220納米的導電高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球為前驅體，以氧化石墨烯為交聯(lián)劑，先后通過(guò)溶膠-凝膠工藝、超臨界流體萃取工藝、高溫熱處理工藝等關(guān)鍵步驟（圖1），成功獲得了一種新型的全碳氣凝膠，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；空心球結構的使用，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；而前驅體導電高分子的選擇，使得最終的全碳氣凝膠實(shí)現了氮元素的摻雜。
研究獲得的石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠具有低密度、高導電性、高比表面積、高楊氏模量等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望在能源（捕獲、存儲、轉換）、傳感、催化、吸附、分離、功能復合材料等領(lǐng)域得到廣泛應用。例如，將石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠作為電極材料應用在U-型熱電化學(xué)池上，電池的輸出功率高達1.05 W·m-2(6.4 W·Kg-1)，其相對卡諾循環(huán)的能量轉化效率高達1.4%，這些數值遠高于目前同類(lèi)型器件的數值。
該工作為大尺寸粒子組裝成氣凝膠提供了很好的設計思路，解決了由亞微米結構單元制備功能性氣凝膠的技術(shù)難題。
圖1 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠制備工藝路線(xiàn)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）氣凝膠的氮氣吸脫附曲線(xiàn)。
資料來(lái)源：先進(jìn)材料部
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