一种简单的一步法即可制造三维石墨烯宏观结构

（Nanowerk Spotlight）鉴于石墨烯研究的巨大兴趣和快速发展，科学家现在相信，具有分层结构和定义明确的结构的石墨烯基材料的受控制备将为实现石墨烯在各种技术中的高性能应用铺平道路。光电，能量存储，聚合物复合材料和催化等领域。自组装技术已成为实现此目的最有效的策略。
尽管已经从基础研究和商业应用的角度对石墨烯的二维（2D）自组装进行了广泛的研究，但二维（3D）纳米级石墨烯自组装为具有清晰网络的功能性宏观结构的研究仍然存在。这是一个巨大的挑战，是实现实际应用的重要障碍。现在，中国的研究人员通过一步一步水热法演示了成功制备自组装石墨烯水凝胶的方法，从而为这一问题提供了解决方案。
“我们通过水热还原氧化石墨烯（通过用强氧化剂处理石墨而得到的碳，氧和氢的化合物）水分散体，成功制备了具有高比电容的机械强度高，导电性和热稳定性好的自组装石墨烯水凝胶。 ” ，北京清华大学化学系教授高全权告诉Nanowerk。“我们的方法简单，可扩展且环保。”
在2010年6月30日的ACS Nano在线版（“通过一步水热法进行自组装石墨烯水凝胶”）中，Shi及其小组报告了一种高性能的自组装石墨烯水凝胶-自组装的第一个例子通过方便的一步法将2D石墨烯片材制成3D宏观结构。
自组装水凝胶通常机械强度低，热不稳定且电绝缘。清华大学的研究人员发现，可以通过一种简便的一步水热法来还原均匀分散在水中的氧化石墨烯，并将其自组装成高性能的石墨烯水凝胶。
自组装的石墨烯水凝胶包含约2.6％（按重量计）的石墨烯片和97.4％的水，其电导率高达0.005 S / cm。此外，它在25-100℃的温度范围内是热稳定的，并且其储能模量（450-490kPa）比常规的自组装水凝胶高约1-3个数量级。用作3D超级电容器电极材料的这种水凝胶在水性电解质中显示出高比电容（175 F / g）。

（a）在180°C水热还原12小时之前和之后2 mg / mL均相氧化石墨烯水分散体的照片；（b）坚固的自组装石墨烯水凝胶的照片，易于处理并支撑重量；（ce）具有自组装石墨烯水凝胶内部微观结构不同放大倍数的SEM图像；（f）表现出欧姆特性的自组装石墨烯水凝胶的室温IV曲线，插图显示了用于电导率测量的双探针法。（经美国化学学会许可转载）
Shi指出，先前的研究工作已经成功地证明了石墨烯结构单元的自组装是功能性薄膜，这是一种重要的石墨烯基材料，例如透明导电膜和坚固的纸状材料，其中石墨烯片被组装成一种。几乎平行的方式变成分层结构。
他说：“人们自然认为石墨烯的2D结构性质总是导致这种2D自组装行为。” “因此，我们着手研究是否存在一种有效的方法来将2D纳米级石墨烯自组装成具有定义良好的网络的功能宏观结构。”
根据他们的实验，研究人员提出了一种形成自组装石墨烯水凝胶的合理机制：还原前，由于其强大的亲水性和静电排斥作用，氧化石墨片无规地分散在水中并处于扩展状态。当水热还原氧化石墨片时，由于其恢复的共轭结构域和减少的氧化功能，它们变为区域疏水的。疏水和π-π相互作用的结合导致了柔性石墨烯片之间的3D随机堆积。
“如果氧化石墨的浓度足够高，则通过柔性石墨烯片的部分重叠而及时发生交联，最终产生足够的交联位点以形成孔径范围从亚微米到几微米的3D网络。”处理。“同时，石墨烯片上残留的氧化官能团会在高温和高压下将足够的水截留在石墨烯网络中，从而形成石墨烯水凝胶。但是，当氧化石墨的浓度较低时，交联将很难进行。由于分散在水性介质中的石墨烯片之间的接触机会低，因此及时发生。
SGH出色的机械，电和热性能以及碳材料固有的生物相容性似乎使其在多种应用中具有吸引力，例如药物输送，组织支架，高性能纳米复合材料和超级电容器。
此外，由史氏团队开发的方法简单，环保，可扩展到各种纳米复合材料的制造。这项工作也值得关注，因为它提供了对功能化石墨烯作为2D分子构建基块的自组装行为的更深入了解。这一发现将启发基于石墨烯的新型分层和功能材料设计。
“关于石墨烯是一种通用且独特的构建基块，有很大的空间来发现石墨烯本身或与其他功能性构建基块（例如大分子和无机纳米粒子）的新组装行为，以指导基于石墨烯的功能基的设计和制备材料”施说。“鉴于该领域的研究进展，我们可以预见，在不久的将来将会出现具有高性能甚至刺激响应的自组装石墨烯基功能材料。”
信息来源：Nanowerk