石墨烯气凝胶导热性能的多尺度理论建模与实验研究

Graphene aerogels (GAs) are 3 dimensional graphene networks formed by π-π interactions between graphene sheets. Owing to their high surface area and good electrical conductivity, GAs have attracted great interest in the areas of energy storage, environment，catalyst and aerospace. The unique properties of GAs come from the superior physical and chemical properties of graphene. However, surprisingly different from other properties of GAs, the thermal conductivity of GAs (~0.1 W/mK) is normally 4 orders lower than that of intrinsic graphene (~5000 W/mK). Although there are some mechanisms to qualitatively explain the low thermal conductivity of GAs, to our best knowledge, there is no effective approach to quantitatively study the transfer of heat in GAs. In this project, multiscale models will be built to model the heat transfer in GAs, hence, to accurately predict the thermal conductivity of GAs. The factors limiting the thermal conductivity of GAs will be quantitatively studied. According to the quantitative findings, proper experiments will be conducted to design and fabricate GAs with different thermal transport properties. This may broaden the applications of GAs, for example, GAs with low thermal conductivity are used as thermal insulation materials in aerospace and buildings, and GAs with high thermal conductivity are used as heat-dissipating and thermal interface materials in micro-devices.

石墨烯气凝胶具有极高的比表面积和优越的导电性，在储能、环保、催化、航天等领域具有重要的应用潜力。石墨烯气凝胶出色的机械、电学和化学性能来源于石墨烯本身优异的物理和化学特性。然而，石墨烯气凝胶的热导率却很低（~0.1 W/mK），往往不及石墨烯自身热导率的万分之一（~5000 W/mK）。虽然目前针对石墨烯气凝胶的低热导率有一些定性解释，但因其结构复杂，尚无有效的理论模型来定量研究石墨烯气凝胶热导率的物理机制和影响因素。本项目将利用分子动力学和蒙特卡洛算法，建立多尺度模型来模拟热量在石墨烯气凝胶中的传输，以准确预测其热导率，并定量研究影响石墨烯气凝胶热导率的关键因素。根据定量研究结果，结合实验设计与制备具有不同热导率的多功能石墨烯气凝胶，实现气凝胶更广泛的应用，如：低热导率的气凝胶作为航天及建筑领域的保温材料；高热导率的气凝胶作为微纳器件的热界面材料和散热材料。

本项目针对石墨烯气凝胶低密度、低导热、高孔隙率的独特性能，开展了针对具有复杂形貌的石墨烯气凝胶导热性能的多尺度理论与实验研究。采用微观分子动力学方法，系统的研究了热量在石墨烯中的传输机制与过程，揭示了石墨烯微观形貌、层间距、以及温度对其传热过程的影响规律与机制。研究发现随着石墨烯表面缺陷、石墨烯层间距以及温度的升高，石墨烯的热导率呈下降的趋势，石墨烯热导率的下降来源于其表面声子散射的加剧以及层与层之间耦合的减弱。采用宏观有效介质理论，研究了热量在三维宏观石墨烯气凝胶中的传输机制，系统的研究了石墨烯的形貌、本征热导率、界面热阻、石墨烯浓度等对气凝胶热导率的影响规律与机制，结合阈值理论，提出了用于研究具有复杂形貌的石墨烯气凝胶及其复合材料导热性能的理论模型，经过理论与实验结果的相互验证，为实验人员提供了一种预测多相复合材料热导率的简便有效方法。根据理论计算的结果，采用改进的低温水热工艺制备石墨烯气凝胶，所制备的气凝胶具有低密度（0.015g/cm3）、高承重比（>10000）、低热导率（<0.04 W/mK）、高比表面积（~182.8 m2/g）等优良特性。通过复合商业化的纳米材料，如MoS2等，实现了对石墨烯气凝胶热导率和电导率的调控，在增加0.2%的商业化MoS2粉末后，石墨烯气凝胶热导率提升了30%，这得益于均匀分散的MoS2降低了石墨烯纳米片之间的界面热阻，进而提高了气凝胶的热导率。鉴于水热法制备气凝胶耗时较长、难以批量化制备等瓶颈问题，研究开发了基于冷冻铸造的新型气凝胶制备工艺，通过合成装置的巧妙设计，实现了气凝胶中石墨烯纳米片的定向排布，获得了石墨烯气凝胶更独特的性能。将制备的石墨烯气凝胶应用于光热污水处理/海水淡化的研究，发现石墨烯气凝胶表现出卓越的污水处理/海水淡化性能，其水蒸气产生速率高达1.8 kg/m2h以上，光热转换效率高达90%以上。室外实验研究表明，本项目设计制备的石墨烯气凝胶材料可以实现在自然光下净水污水，有望广泛的应用于偏远地区的分布式污水处理系统。