基于原位快速凝胶与渗透脱水协同制备石墨烯气凝胶及其压阻传感器应用研究

本文创新性地将海藻酸钠(SA)-金属离子交联体系、气泡模板与渗透脱水工艺相结合，开发了石墨烯氧化物(GO)气凝胶的室温快速制备技术。通过SA与Ca2+缓释系统实现GO纳米片的原位交联，利用渗透脱水辅助常压干燥显著提升气凝胶结构完整性，最终获得具有高度有序多孔结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶，并探索了其在压阻传感器领域的应用潜力。该方法为低成本、高效制备功能化石墨烯材料提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过整合海藻酸钠(SA)-金属离子交联系统、气泡模板和渗透脱水工艺，开发了一种简单快速制备石墨烯气凝胶(GA)的新方法。将氧化石墨烯(GO)纳米片分散在SA与金属离子交联的溶液中，可在常温条件下实现GO的快速凝胶化。为减少干燥过程中水分子对多孔网络结构的破坏，采用渗透脱水技术作为辅助干燥手段，结合常压干燥显著提高了气凝胶的干燥效率和结构完整性。气泡模板的引入通过抵消毛细管力对孔结构的破坏起到关键稳定作用。经高温热还原后，成功获得了高度有序多孔结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶，并探索了其在压阻传感器领域的应用潜力。

Materials

浓硫酸和盐酸购自成都科隆化学品有限公司；石墨粉(325目)来自青岛华泰润滑密封技术有限公司；十二烷基硫酸钠(SDS)由西陇科学股份有限公司提供；乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-2Na)购自天津试剂二厂；氯化钙(CaCl₂)、氯化铜(CuCl₂)、氯化铁(FeCl₃)、葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)和海藻酸钠(SA)均采购自麦克林公司。

Fabrication of hydrogels

图1a展示了SGS泡沫溶液的偏光显微镜(POM)图像，在气-液界面处显示出特征性亮环。这种光学现象可能源于两亲性SDS分子在界面的自组装。SDS单分子层与GO纳米片和SA分子间的协同作用共同促进了泡沫稳定。然而根据奥斯特瓦尔德熟化机制，气泡随时间推移仍会发生合并，最终...

Conclusions

本研究开发了一种通过EDTA-Ca/GDL金属离子缓释系统与SA增强凝胶能力协同作用的GO水凝胶泡沫室温制备策略。受泡沫水凝胶与植物组织结构相似性的启发，采用渗透脱水工艺作为辅助干燥方法，在实现快速常压脱水的同时保持了三维结构完整性。所得GO气凝胶...

CRediT authorship contribution statement

王冰霁：文稿撰写与修改、实验验证、数据分析、方法设计；李艺芸：可视化、软件支持、数据采集；马利民：文稿审阅、实验指导、概念设计；李章鹏：项目统筹、资源协调、方法指导；杨生荣：基金支持、实验监督；王金清：文稿审阅、实验监督、基金支持。

Declaration of competing interest

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务或个人利益冲突。

Acknowledgments

本研究获得中国科学院战略性先导科技专项(XDB047030103)、国家自然科学基金(52175203)和甘肃省青年科技基金计划(25JRRA481)资助。