12月3日上午，智能医学讲堂—智能医用材料青年学者沙龙圆满举行。

山东第一医科大学化学与制药工程学院教授、医学科技创新中心PI李晨蔚，受邀作了题为《石墨烯气凝胶的功能化设计与制备》的专题报告，分享他在石墨烯复合材料领域的最新研究工作进展和成果。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子通过sp2杂化相互连接而成的类蜂窝状的二维碳纳米材料，石墨烯的碳原子之间独特的排列方式赋予了其优异的力学、热学、电学、光学等性质，在材料学、微纳加工、能源和生物医学等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯气凝胶是经由石墨烯片层三维搭接、组装而来的石墨烯宏观体材料，在保留二维石墨烯诸多优点的同时还具有三维连续多孔网络结构，表现出高比表面积、高孔隙率、优异导电性能及电化学行为，在能源存储、传感、吸附、催化剂载体等领域有重要应用前景。李晨蔚教授及其研究团队在高性能石墨烯气凝胶的制备方面开展了一系列研究，并探索其在海水淡化、超级电容器、电催化、传感器等领域的应用研究。

功能性石墨烯复合气凝胶在海水淡化、超级电容器、电催化、传感器等领域的应用

石墨烯气凝胶基海水淡化蒸发器

太阳能驱动的蒸汽产生技术是目前最有前途的海水淡化技术之一，受到了广泛的关注。然而，如何实现低成本、易于制造、蒸发效率高、机械性能和耐久性良好的太阳能驱动蒸汽产生装置仍然是一个重大挑战。 李晨蔚教授团队提出一种以三聚氰胺泡沫（MF）为模板，引入氧化石墨烯，在只需10min的还原干燥条件下就可快速制备具有开口和闭口结构的石墨烯/纤维素纳米晶复合气凝胶（GCLN）（如下图）。该制备方法既简单又经济。其中，复合气凝胶中的开口结构有利于水的传输和蒸汽逃逸，闭口结构则益于水的蒸发。由于石墨烯优异的光吸收性能和纤维素纳米晶优异的亲水性能，GCLN在1 kW m−2太阳辐射下的蒸发速率为1.66 kg m−2 h−1，蒸发效率可达97.5%。此外，GCLN在一系列恶劣条件和耐久性试验中仍能保持良好的结构稳定性和蒸发性能。源于MF良好的加工性能，进一步制备了具体立体结构的GCLN。 研究发现：在相同的投影面积下，立体结构的GCLN比平面结构的GCLN具有更高的光热转换速率。这项工作为在自然阳光条件下开发低成本、大规模海水淡化的太阳能蒸汽产生装置提供了一条新的途径。

石墨烯/纤维素纳米晶复合气凝胶光热转换性能测试

石墨烯气凝胶用于柔性固态超级电容器

随着可穿戴电子器件、柔性显示器等设备的发展，柔性储能器件的制备受到越来越多的关注。具有超柔性、可折叠性的柔性电极材料逐渐成为当前的研究热点。作为超级电容电极材料，石墨烯优异的导电性能使电极具有较高的功率密度，但是在能量密度方面仍存在不足之处。 李晨蔚教授团队通过简单而有效的原位法原位形成CoS1.097纳米颗粒，设计并制备了一种S/N共掺杂的石墨烯气凝胶，并将其作为电极材料(CoS1.097/GF)用于柔性固态超级电容器（如下图）。研究发现： 基于该S/N共掺杂的石墨烯气凝胶电极材料具有良好的电导率和循环稳定性。在1 A g−1的电流密度下，表现出4476 F g−1的超高比电容；在0-1.5 V的电位范围内，经10000次充放电循环，比电容依然维持初始比电容的95.6%，显示出了优异的超级电容器性能。研究还发现， 基于该电极材料的器件具有较大的弯曲角度(从0°到180°)，并能够扭曲成各种形状，表明其在可穿戴和便携式电子设备中具有很大的应用潜力。

基于S/N共掺杂的石墨烯气凝胶原位形成CoS1.097纳米颗粒

石墨烯气凝胶基电催化电极

由于对再生资源的迫切需求，氧还原反应（ORR）得到了广泛的研究。寻找高效、低成本的非贵金属催化剂越来越重要。 李晨蔚教授团队以三聚氰胺泡沫为模板，采用简单的渗透-干燥-硫化法制备了均匀分布硫化钴纳米颗粒的多孔硫氮共掺杂石墨烯/碳泡沫（Co1-xS/SNG/CF）（如下图）。其中，三聚氰胺泡沫不仅可以作为三维支撑骨架，还可作为没有任何环境污染的氮源。研究发现，Co1-xS/SNG/CF催化剂表现出优异的氧还原催化性能，起始电势仅为0.99 V，与Pt/C催化剂相同（Eonset=0.99 V），且Co1-xS/SNG/CF的稳定性和甲醇容限比Pt/C催化剂更为突出。 该项工作提供了一种简便的方法制备Co1-xS纳米颗粒修饰的S和N共掺杂3D石墨烯网络，有望作为价格昂贵的Pt/C催化剂的替代品用于高效氧还原反应中。

三维Co1-xS/硫和氮共掺杂石墨烯/碳气凝胶用于高效氧还原反应

报告结束后，李晨蔚教授针对高力学性能石墨烯气凝胶的制备及性能等问题与在座的科研工作者和研究生进行了学术交流。通过相互探讨，大家加深了对石墨烯复合材料的认识，了解了更多关于石墨烯功能化的方法及在生医中的可能应用。