石墨烯氣凝膠在能量存儲(chǔ)、環(huán)境修復(fù)和高性能傳感器等方面顯示了潛在的應(yīng)用，但是石墨烯氣凝膠的易脆性阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。研究表明高分子可以增韌石墨烯氣凝膠，但是增韌的同時(shí)不可避免的增大了石墨烯氣凝膠的密度，損失了石墨烯氣凝膠本質(zhì)的超輕特性，如何實(shí)現(xiàn)兼具韌性與超輕性能石墨烯氣凝膠的制備仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。2019年初，青島科技大學(xué)張建明教授課題組研究人員在石墨烯氣凝膠制備領(lǐng)域及其工業(yè)化取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了以氧化石墨烯液晶包裹的空氣泡為模板綠色制備具有低密度，超彈性, 耐疲勞等諸多優(yōu)點(diǎn)的石墨烯氣凝膠（ACS Applied Materials& Interfaces，2019，11(1):1303-1310）。

近期，基于空氣泡模板法，該課題組經(jīng)過工藝優(yōu)化，將天然膠乳成功地復(fù)合到了石墨烯氣凝膠的孔壁上，大大增加了石墨烯氣凝膠的韌性，同時(shí)維持了石墨烯氣凝膠超低的密度，進(jìn)一步推進(jìn)了石墨烯氣凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)。該雜化石墨烯氣凝膠（GA/NRL）不僅具有超低密度（4.6 mg cm^-3）、良好的韌性，同時(shí)具有仿玫瑰花表面的石墨烯璧，使其具有類似的性質(zhì)，如其疏水接觸角可達(dá)131.8°，且能粘附水滴。并且天然膠乳顆粒的加入使得石墨烯璧更加粗糙，大大提高了石墨烯氣凝膠的光熱轉(zhuǎn)化能力。

圖1. (A) 天然膠乳雜化石墨烯氣凝膠的制備過程。（B）GO天然膠乳混合溶液發(fā)泡后偏光圖。（C）GA/NRL-0.5的橫切面SEM圖。（D）GA/NRL-0.5璧SEM圖。（E）玫瑰花表面的SEM圖。

圖1展示了天然膠乳/石墨烯雜化氣凝膠的制備過程。該制備過程通過簡(jiǎn)單的溶液共混、攪拌發(fā)泡、冷凍以及常壓干燥步驟，獲得了仿生表面的雜化氣凝膠。

圖2. (A) 大塊GA/NRL-0.5。（B）GA/NRL-0.5縱橫界面SEM圖。（C）GA/NRL-0.5雜化石墨烯璧SEM圖。（D）GA/NRL-0.5的璧橫截面SEM圖。（E）GA膠/NRL-0.5的璧橫截面SEM圖。（F）GA/NRLs熱失重曲線。

形態(tài)研究表明，天然膠乳粒子均勻的負(fù)載到了氣凝膠的孔璧上。通過對(duì)其單個(gè)璧的觀察可以看到還原的石墨烯片層將NRL包裹形成了三明治結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖3. (A) 石墨烯氣凝膠以及GA/NRL-0.5韌性表示。（B）GA/NRL-0.5韌性機(jī)理研究。（C）超聲前后石墨烯氣凝膠和GA/NRL-0.5的圖片。（D）GA/NRL-0.5不同壓縮比下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（E）GA/NRL-0.5 90%應(yīng)變多次壓縮曲線。（F）GA/NRL-0.5的拉伸曲線。

天然膠的復(fù)合，顯著的增加石墨烯氣凝膠的柔韌性（圖3）。同時(shí)天然膠乳的加入，并沒有影響石墨烯氣凝膠良好的回強(qiáng)性，最大壓縮比可達(dá)90%。

圖4. (A) GA/NRL-0.5天然膠乳顆粒表面SEM圖。（B）GA/NRL-1接觸角圖片。（C）GA/NRL-1粘附水滴圖片。（D，E）GA/NRL-1集水前后圖。（F,G）GA/NRL-1循環(huán)集水圖。（H）不同濕度下GA/NRL-1集水曲線。（I）GA/NRL-1循環(huán)集水曲線。

所制雜化氣凝膠表面的形態(tài)非常類似于玫瑰花表面的凸起，其表面有許多褶皺。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予其既具有很好的疏水性能，又具有良好的粘附水滴的能力（圖4）。粘附的水滴可以經(jīng)過擠壓的方法榨出。這種集水的能力根據(jù)環(huán)境濕度的不同具有較大的差異。

圖5. (A) 石墨烯氣凝膠與GA/NRL-0.5的光熱轉(zhuǎn)化能力。（B）石墨烯氣凝膠與GA/NRL-0.5光熱轉(zhuǎn)化時(shí)溫度對(duì)時(shí)間的變化曲線。（C）GA/NRL-0.5集水之后在不同溫度下釋放水曲線。（D，E）GA/NRL-0.5集水后光照前后圖。

另外，當(dāng)復(fù)合了天然膠乳之后，所得石墨烯氣凝膠的光熱轉(zhuǎn)化能力大大增強(qiáng)（圖5），這不僅和其表面的粗糙有關(guān)，同時(shí)還和復(fù)合了天然膠乳之后其導(dǎo)熱性降低有關(guān)。利用這種材料集水之后通過光照作用能夠很好的將水蒸發(fā)出，以再次收集起來。

以上成果發(fā)表在《ACS Applied Materials& Interfaces》的期刊上，影響因子為8.456。題為《Tough, Ultralight, and Water-Adhesive Graphene/Natural Rubber Latex Hybrid Aerogel with Sandwichlike Cell Wall and Biomimetic Rose-Petal-like Surface》，第一作者為青島科技大學(xué)高分子院博士生張曉方。通訊作者為青島科技大學(xué)高分子院張建明教授和段詠欣教授。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b18948

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