Ceramics International：氧化鋁包覆膨脹石墨的制備：增強膨脹石墨的親水性及抗氧化性

【引言】

膨脹石墨（EG）是一種具有蠕蟲狀結構的功能性碳基材料。由于其具有高孔隙率、良好的柔韌性、優異的熱穩定性和化學穩定性等優點，因此被廣泛應用于污水處理、墊片制造及耐火復合制劑等領域，同時，又因為EG具有高的表面張力和導熱性，也可被用于封裝相變材料（Phase Change Material，PCM）。EG是一種重要的儲熱介質，自20世紀90年代后期被研究人員發現其可以有效提高PCM的導熱率，并且可以提高PCM的穩定性，因而在熱能儲存領域得到了廣泛的關注。
無機相變材料在潛熱儲能方面具有巨大優勢，如較高的潛熱和熱導率、廉價和不可燃性。由于EG具有疏水性，因此制備無機PCM / EG復合材料通常需要復雜的工藝，如真空浸漬。此外，EG的疏水性質可能導致復合材料在持續相變過程后使EG和無機PCM發生分離，進一步會使通過EG來改善PCM性能的方案失效。

【成果簡介】

近日，華南理工大學的高學農教授（通訊作者）在Ceramics International上發表題為“Preparation of Al₂O₃-coated expanded graphite with enhanced htdrophilicity and oxidation resistance”的研究論文，文中主要解決了EG的疏水性和EG與無機材料的相容性問題。氧化鋁（Al₂O₃）具有多種優異的性質，如良好的親水性、高的導熱系數、良好的耐火性、廉價且無毒等。因此，選擇氧化鋁層作為親水層并且通過化學連接將其涂覆于EG的表面，即可制備出Al₂O₃涂層包覆的EG復合材料。研究發現，EG表面的氧化鋁層分布均勻且基本呈現無定形狀態，通過氧原子（來自Al₂O₃）和碳原子（來自EG）之間的化學反應使Al₂O₃與EG充分的結合。通過增加Al₂O₃的質量分數可以提高Al₂O₃涂層包覆EG的親水性和抗氧化性，此外， 對EG和Al₂O₃包覆EG的親水性進行的分子動力學（MD）模擬也證實了Al₂O₃包覆EG是提高EG親水性的一種行之有效的方法。

【圖文導讀】

圖一 制備Al₂O₃包覆EG的示意圖

EG表面（通過異相成核技術）→氫氧化鋁包覆EG（在空氣氣氛下，在500 ℃高溫下3h）→Al₂O₃包覆EG

圖二 分子模型圖

(a) EG
(b) Al₂O₃的晶胞圖
(c) Al₂O₃包覆EG，圖中的箭頭表示水納米液滴

圖三 表面上水的密度分布

（a-b）EG
（c-d）Al₂O₃包覆EG

圖四 FE-SEM圖像

（a-c）EG
（d-f）氫氧化鋁包覆EG
（g-i）Al₂O₃包覆EG

圖五 Al₂O₃包覆EGFE-SEM圖像以及對應元素的映射結果

（a）Al₂O₃包覆EG的FE-SEM圖像
（b-d）分別代表碳元素、氧元素和鋁元素的映射結果

圖六 XRD圖譜

（a）EG
（b）Al₂O₃
（c）Al₂O₃包覆EG

圖七 FTIR光譜圖像

（a）EG
（b）Al₂O₃
（c）Al₂O₃包覆EG

圖八 C1s XPS光譜圖像

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG
從上到下的線分別為原始數據，擬合數據，背景，C-C，C-OH，COO

圖九 Al₂O₃不同質量分數的Al₂O₃包覆的EG與EG的熱重曲線圖

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG
從上到下分別為EG；3.3 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG；4.4 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG；5.6 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG

圖十 Al₂O₃不同質量分數的氧化鋁包覆的EG與EG的微商熱重曲線圖

縱坐標為微商熱重，橫坐標為溫度
從上到下分別為EG；3.3 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG；4.4 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG；5.6 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG

圖十一 水滴落在上不同材料上的的圖像

（a）EG
（b）3.3 wt%質量分數的Al₂O₃包覆的EG
（c）4.4 wt%質量分數的Al₂O₃包覆的EG
（d）5.6 wt%質量分數的Al₂O₃包覆EG

圖十二 水滴平衡在不同材料表面上的的微觀圖

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG

圖十三 水滴在上不同材料表面上的平衡密度等高線

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG

【小結】

由于EG的疏水性使其難以與大部分無機相變材料組合，然而，研究發現Al₂O₃可與EG基體良好結合。此外，通過增加Al₂O₃的量可以改善EG的抗氧化性。通過異相成核技術和后續的熱處理手段可以在EG表面上獲得均勻分布的Al₂O₃，并且制備具有較好的親水性和抗氧化性的Al₂O₃包覆EG復合材料。此外當Al₂O₃的含量僅為4.4 wt％時可以顯著降低EG與水的接觸角（即可提高EG的親水性），該研究成果有望應用于制備具有良好熱穩定性的耐火材料中。

文獻鏈接：Preparation of Al₂O₃-coated expanded graphite with enhanced htdrophilicity and oxidation resistance（Ceramics International, 2018, DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.06.017）

本文由材料人編輯部新人組魏運先編輯，杜成江審核，點我加入材料人編輯部。

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