Ceramics International：氧化铝包覆膨胀石墨的制备：增强膨胀石墨的亲水性及抗氧化性

【引言】

膨胀石墨（EG）是一种具有蠕虫状结构的功能性碳基材料。由于其具有高孔隙率、良好的柔韧性、优异的热稳定性和化学稳定性等优点，因此被广泛应用于污水处理、垫片制造及耐火复合制剂等领域，同时，又因为EG具有高的表面张力和导热性，也可被用于封装相变材料（Phase Change Material，PCM）。EG是一种重要的储热介质，自20世纪90年代后期被研究人员发现其可以有效提高PCM的导热率，并且可以提高PCM的稳定性，因而在热能储存领域得到了广泛的关注。
无机相变材料在潜热储能方面具有巨大优势，如较高的潜热和热导率、廉价和不可燃性。由于EG具有疏水性，因此制备无机PCM / EG复合材料通常需要复杂的工艺，如真空浸渍。此外，EG的疏水性质可能导致复合材料在持续相变过程后使EG和无机PCM发生分离，进一步会使通过EG来改善PCM性能的方案失效。

【成果简介】

近日，华南理工大学的高学农教授（通讯作者）在Ceramics International上发表题为“Preparation of Al₂O₃-coated expanded graphite with enhanced htdrophilicity and oxidation resistance”的研究论文，文中主要解决了EG的疏水性和EG与无机材料的相容性问题。氧化铝（Al₂O₃）具有多种优异的性质，如良好的亲水性、高的导热系数、良好的耐火性、廉价且无毒等。因此，选择氧化铝层作为亲水层并且通过化学连接将其涂覆于EG的表面，即可制备出Al₂O₃涂层包覆的EG复合材料。研究发现，EG表面的氧化铝层分布均匀且基本呈现无定形状态，通过氧原子（来自Al₂O₃）和碳原子（来自EG）之间的化学反应使Al₂O₃与EG充分的结合。通过增加Al₂O₃的质量分数可以提高Al₂O₃涂层包覆EG的亲水性和抗氧化性，此外， 对EG和Al₂O₃包覆EG的亲水性进行的分子动力学（MD）模拟也证实了Al₂O₃包覆EG是提高EG亲水性的一种行之有效的方法。

【图文导读】

图一 制备Al₂O₃包覆EG的示意图

EG表面（通过异相成核技术）→氢氧化铝包覆EG（在空气气氛下，在500 ℃高温下3h）→Al₂O₃包覆EG

图二 分子模型图

(a) EG
(b) Al₂O₃的晶胞图
(c) Al₂O₃包覆EG，图中的箭头表示水纳米液滴

图三 表面上水的密度分布

（a-b）EG
（c-d）Al₂O₃包覆EG

图四 FE-SEM图像

（a-c）EG
（d-f）氢氧化铝包覆EG
（g-i）Al₂O₃包覆EG

图五 Al₂O₃包覆EGFE-SEM图像以及对应元素的映射结果

（a）Al₂O₃包覆EG的FE-SEM图像
（b-d）分别代表碳元素、氧元素和铝元素的映射结果

图六 XRD图谱

（a）EG
（b）Al₂O₃
（c）Al₂O₃包覆EG

图七 FTIR光谱图像

（a）EG
（b）Al₂O₃
（c）Al₂O₃包覆EG

图八 C1s XPS光谱图像

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG
从上到下的线分别为原始数据，拟合数据，背景，C-C，C-OH，COO

图九 Al₂O₃不同质量分数的Al₂O₃包覆的EG与EG的热重曲线图

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG
从上到下分别为EG；3.3 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG；4.4 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG；5.6 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG

图十 Al₂O₃不同质量分数的氧化铝包覆的EG与EG的微商热重曲线图

纵坐标为微商热重，横坐标为温度
从上到下分别为EG；3.3 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG；4.4 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG；5.6 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG

图十一 水滴落在上不同材料上的的图像

（a）EG
（b）3.3 wt%质量分数的Al₂O₃包覆的EG
（c）4.4 wt%质量分数的Al₂O₃包覆的EG
（d）5.6 wt%质量分数的Al₂O₃包覆EG

图十二 水滴平衡在不同材料表面上的的微观图

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG

图十三 水滴在上不同材料表面上的平衡密度等高线

（a）EG
（b）Al₂O₃包覆EG

【小结】

由于EG的疏水性使其难以与大部分无机相变材料组合，然而，研究发现Al₂O₃可与EG基体良好结合。此外，通过增加Al₂O₃的量可以改善EG的抗氧化性。通过异相成核技术和后续的热处理手段可以在EG表面上获得均匀分布的Al₂O₃，并且制备具有较好的亲水性和抗氧化性的Al₂O₃包覆EG复合材料。此外当Al₂O₃的含量仅为4.4 wt％时可以显著降低EG与水的接触角（即可提高EG的亲水性），该研究成果有望应用于制备具有良好热稳定性的耐火材料中。

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

本文由材料人编辑部新人组魏运先编辑，杜成江审核，点我加入材料人编辑部。

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