石墨烯/氧化锆复合气凝胶的结构控制合成及其物理化学性能研究

Aerogels, highly porous solid nanomaterials with ultralow density and ultrahigh specific surface area, are generally prepared from gel precursors with special drying to replace the solvents in the wet gels with air to guarantee the least changes in the gel network and volume. Graphene, a single layer of sp2 hybrid carbon atoms bonded together in a hexagonal lattice, is a two-dimensional carbon nanomaterial with a honeycomb structure. Zirconia is a multifunctional metal oxide ceramic material. In our present proposal, starting from design of the composite aerogel, we are aiming at enhancing the mechanical performance of the zirconica aerogel network with graphene aerogel network with excellent mechanics, and at enhancing the thermal stability of the graphene aerogel network under air atmosphene with zirconia aerogel network with excellent thermal stability. During running this proposal, the optimal parameters and conditions for synthesizing the graphene/zirconic composite aerogels will be set up, the network strucutre and physicochemical properties of the resulting graphene/zirconia composite aerogels will be investigated, the relationship among synthetic conditions-network structure-physicochemcial properties of the resulting graphene/zirconica composite aerogels will be determined. At the same time, heat transfer behavior and high temperature thermal stability under the oxygen atmosphene of the resulting graphene/zirconia composite aerogels will be investigated and the effect of the synthetic parameters and composition ratios on the heat transfer behavior and high temperature thermal stability of the composite aerogels will be clarified.

气凝胶是采用特殊工艺把湿凝胶中的液体用气体置换而不显著改变凝胶网络的结构和体积而得到的具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料。石墨烯是由sp2 杂化碳原子组成的具有蜂窝状结构且仅为单原子层厚度的二维碳材料。氧化锆是一种多功能的金属氧化物陶瓷材料。本项目从复合气凝胶的设计出发，以利用石墨烯气凝胶网络优异的力学性能来改善氧化锆气凝胶网络力学性能的不足，同时利用氧化锆气凝胶网络对氧的不敏感性来改善石墨烯气凝胶网络在有氧条件下的高温热稳定性为目的，探索获得石墨烯/氧化锆复合气凝胶的工艺路线和合成条件，考察获得的石墨烯/氧化锆复合气凝胶的网络结构与物理化学性能，尝试建立合成参数-结构-物理化学性能三角关系；同时研究石墨烯/氧化锆复合气凝胶的热传递行为和有氧条件下的高温热稳定性，阐述合成工艺参数和组成比例等因素对获得的石墨烯/氧化锆复合气凝胶的热传递行为和高温热稳定性的影响。

气凝胶是采用特殊工艺把湿凝胶中的液体用气体置换而不显著改变凝胶网络的结构和体积而得到的具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料。我们在有机溶剂中以氧化石墨烯和氧氯化锆水合物为起始原料，以环氧氯丙烷为凝胶促进剂，通过控制原料的质量比和反应温度等合成参数，可以获得ZrOx(OH)4-2x/GO复合湿凝胶中间体，随后依次通过老化、溶剂置换、超临界流体干燥和高温热处理等技术手段，成功获得了不同质量比的ZrO2/石墨烯复合气凝胶。谱学等表征结果表明，气凝胶具有低密度（30-70mg/cm3）、大比表面积（380 -490 m2/g）和低热导（0.0249 -0.0259 W/mK）等显著特征，且氧化锆纳米粒子以四方相的形式均匀分布在石墨烯片层上。通过在起始原料中引入铈源共水解，可以获得高温稳定的三元复合气凝胶，拓展了ZrO2/石墨烯复合气凝胶的温度使用范围。获得的复合气凝胶有望在高温隔热和其他领域获得广泛应用。例如，在大电流密度下（10A/g），复合气凝的比电容达到52F/g，显示了良好的电化学电容器应用前景。本项目发展的合成策略具有普适性。比如，采用类似合成策略，可以获得具有低密度、大比表面积和低热导的氧化锡-石墨烯p-n异质结气凝胶，该气凝胶表现出对苯酚的出色传感能力。在该项目经费的支持下，我们也开展了超分子气凝胶、导电高分子气凝胶、氧化硅气凝胶等研究工作，取得了一批很有意义的研究成果。