SmartMat|综述：石墨烯和氮化硼泡沫用于智能功能应用
学术
科技
2024-09-04 09:30
天津
Chiwei Xu, Jinjue Zeng, Yue Wang, Xiangfen Jiang, Xuebin Wang. Graphene and boron nitride foams for smart functional applications. SmartMat. 2023; 4:e1199.
https://doi.org/10.1002/smm2.1199
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石墨烯和氮化硼(BN)泡沫作为两种由二维(2D)纳米片组成的三维(3D)纳米材料，可以继承二维(2D)纳米片的一系列优异性能。内部三维网络可以防止孤立的石墨烯或BN纳米片之间的聚集或再堆积，并为声子/电子传递提供高速公路。此外，相互连接的多孔结构为外来物种的大量交换创造了一个连续的通道。因此，轻元素石墨烯和BN泡沫具有低密度、高孔隙率、高表面积和优异的机械、热学和电学性能。得益于这些优点，它们具有广泛的应用前景。本文综述了石墨烯和氮化硼泡沫材料的常用合成方法及其在支撑材料、弹性材料、声屏蔽材料、热界面材料、电磁屏蔽材料、吸附材料、电催化和热催化材料、电化学储能材料、热储能材料等方面的应用。此外，还讨论了当前的挑战和前景。
图 1. 石墨烯泡沫和氮化硼泡沫的合成方法及应用。图 2. (A)制备氧化石墨烯/DNA的过程和提出的凝胶机制。(B和C)氧化石墨烯/DNA内部微观结构的SEM图像。Copyright 2010, American Chemical Society. (D) GF的形成机制。(E) GF的SEM图像。(F) GF的TEM图像。Copyright 2010, American Chemical Society.(G)结合水热法和冷冻干燥法制备N,B共掺杂GF的示意图。(H) N, b共掺杂GF的SEM图像。Copyright 2012, Wiley.
图 3.(A) CVD与3D打印相结合的GF制备工艺。(B) GF的SEM图像。(C) GF的TEM图像。Copyright 2020, American Chemical Society. (D)结合3D打印、冷冻干燥和热退火的3D GF制造示意图。(E) GF的SEM图像。Copyright 2018, American Chemical Society.
图 4. (A) CVD法合成GF示意图。Copyright 2011, Springer Nature.(B)三维管状BN细胞网络泡沫的合成原理图。(C和D) BN泡沫的SEM图像。Copyright 2016,American Chemical Society.图 5. (A)吹糖生产的生长过程和结构调控。Copyright 2013,Springer Nature.(B-E)锌辅助固态热解中的锌层效应:(B)葡萄糖在四个锌微球中通过一个面、两个边和一个顶点的截面图;(C)锌在加热过程中通过动态蒸发冷凝浸渍焦炭;(D)锌层析成sp2碳片层;(E)层状炭形成石墨烯膜，使得边缘/顶点是一束松散的膜。I和II分别表示垂直和倾斜双层石墨烯。(F-H)葡萄糖在非分层金属间的热解，产生不可避免的非膜形态杂质。III和IV分别为固体石墨支撑和四足关节。(I) 四金属微球间葡萄糖糖浆模型的几何形状。(J) GF的TEM图像。(K) GF的SEM图像。Copyright 2019, Wiley. (L)说明化学吹制过程中B - N - H聚合物在脱氢条件下自鼓泡直至具有原子薄壁的过程的示意图。Copyright 2011, Wiley.
图 6. (A)石墨烯层堆叠辐照过程示意图。Copyright 2019,Springer Nature. (B)静电纺丝法制备的BN泡沫的SEM图像。(C) BN泡沫的制备工艺方案。Copyright 2018, American Chemical Society. (D) BN泡沫的SEM图像。(E) 3D-BN泡沫的形成过程示意图。Copyright 2020, Elsevier.
图 7. (A) GF的SEM图像。(B) GF的能量损失系数。Copyright 2012, Springer Nature.(C) GF弹性体的储存模量(黑色)、损耗模量(蓝色)和阻尼比(红色)在-50°C和300°C之间的温度依赖性。Copyright 2015, Springer Nature.(D)聚酰亚胺基GF的SEM图像。(E)聚酰亚胺基GF在17%应变下的循环应力-应变曲线。Copyright 2018, Elsevier.(F)在32°弯曲运动时，电阻随GF弯曲应变的变化。Copyright 2020, AmericanChemical Society. (G) GF在不同设定应变下的压缩应力-应变曲线。(H) GF在不同温度下的压应力-应变曲线。(I) 10个周期内不同外加应变下电阻的变化。Copyright 2020, Elsevier.图 8. (A) GF的SEM图像。(B)不同厚度GFs基吸声器的吸声特性。(C)不同厚度GFs基吸声器的阻抗。Copyright 2019, Royal Society of Chemistry. (D)基于三聚氰胺骨架的GF的SEM图像。(E)三聚氰胺骨架基GF的吸声特性随厚度的变化。(F)在厚度为26±0.5 mm时，GF在12.39~24.12 kg/m3范围内的五种不同密度的吸声特性。(G)通过超薄石墨烯的共振和孔隙中的空气摩擦阻尼实现优异吸收的GF基吸收器的多种机制。(H)不同高度GF基吸声器的吸声光谱。Copyright 2022, Wiley.
图 9. (A) GF/环氧复合材料的热传递机理。(B) GF的俯视图SEM图像。(C) GF/环氧复合材料在不同温度下的导热系数。(D) GF/环氧复合材料在不同GF含量下的导热系数。Copyright 2018, Elsevier. (E) BN基纳米复合材料室温下的导热系数。(F) BN基纳米复合材料温度相关的导热系数。Copyright 2017, American Chemical Society. (G)多孔微米BN泡沫的微观结构。(H)微米级和亚微米级BN/环氧泡沫塑料的导热系数。(I)导热系数与其他已报道的BN/聚合物复合材料的比较。Copyright2018, Royal Society of Chemistry.
图 10. (A) GF的SEM图像。(B) GF反射损耗的三维图像。(C) PANI/GF反射损耗的三维图。Copyright 2019, Elsevier.(D) GF/PANI纳米棒的吸收机理示意图。(E) GF的反射损耗。(F) GF/PANI的反射损失。Copyright 2016, Elsevier.(G) GF/PPy复合材料的微波耗散机制示意图。(H) GF反射损耗。(I) GF/PPy的反射损耗。Copyright 2017, Elsevier.图 11. (A)三维独立GF的SEM图像。(B) GF的氮气吸附-解吸等温线(插图为GF的孔径分布)。(C) GF对Zn2+、Pb2+、Cd2+和Fe3+的最大吸附量。Copyright 2014, Elsevier. (D) BN泡沫的SEM图像。(E) Cd(II)离子的突破曲线和累积吸附。(F) BN泡沫的吸油性能。Copyright 2016, Royal Society of Chemistry. (G)在三个循环中检测~ 1000ppm NH3时，GF电阻的归一化变化作为时间的函数。(H)空气中不同浓度NH3的归一化电阻随时间的变化。(I)空气中不同浓度NO2对应的归一化阻力随时间变化。Copyright 2011, Springer Nature.
图 12. (A) N掺杂GF的SEM图像。(B)掺杂温度在700~1000 ℃范围内N掺杂GF的电催化活性比较。Copyright 2016, American Chemical Society. (C) S掺杂GF的极化曲线。Copyright 2018, Springer Nature. (D)用镍/氧化镍装饰的GF的TEM图像。(E)不同镍含量的Ni/NiO/GF样品的OER极化曲线。Copyright 2019, American Chemical Society. (F) CO法拉第效率和CO分电流密度的GF。Copyright 2019, Royal Society of Chemistry. (G)BN单片催化剂的方案。(H)空速和反应温度对BN/堇青石催化剂上丙烷转化率和产物选择性的影响。(I)温度对BN/堇青石催化剂上产物选择性的影响。Copyright 2020, Elsevier.图 13. (A) GF的SEM图像。(B)不同电流密度下GF基电极的重量电容。(C)不同电流密度下GF基电极的体积电容。Copyright 2014,Springer Nature. (D) N,S共掺杂GF的SEM图像。(E)与Li +/Li相比，S掺杂的GF电极在1.5-2.8 V的电位窗口内，在0.2 C速率下的第二次恒流充放电曲线。(F) S掺杂GF电极在室温下从1到100 MHz循环前的Nyquist图。Copyright 2015, Springer Nature. (G)分层-石墨烯-偶联聚苯胺泡沫的SEM图像。(H)分层-石墨烯-偶联聚苯胺泡沫的面电容。(I)分层-石墨烯-偶联聚苯胺泡沫的Ragone曲线。Copyright 2018, Elsevier.
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作者简介
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王学斌，南京大学学士、硕士学位，早稻田大学博士学位。2010-2016年在国际青年科学家中心(ICYS)、世界一流国际材料纳米结构中心(WPI‐MANA)、美国国家材料科学研究所(NIMS)担任初级研究员、博士后研究员和独立研究员。2016年起任南京大学正教授。他的团队一直致力于多孔二维材料的设计合成、新特性和实际应用，他最近专注于3D设计石墨烯和氮化硼的发展，用于电解、热催化裂解、超级电容器、电池、聚合物复合材料等。
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