石墨烯基水凝胶的研究进展

石墨烯具有独特的导电、导热和力学性能,既能够自组装为电化学性能优良的石墨烯水凝胶,又可以与小分子和聚合物进行复合制备多功能性复合水凝胶,大幅度地拓展了传统水凝胶的应用范围。本文主要分为四部分来综述近些年来石墨烯基水凝胶的研究进展。第一部分简要介绍了石墨烯的研究背景和石墨烯基水凝胶的研究意义。第二部分主要根据石墨烯基水凝胶的组成将其分为石墨烯水凝胶、石墨烯/小分子和石墨烯/聚合物复合水凝胶三类,分别介绍了它们的制备方法、形成机理和凝胶性能。其中,对石墨烯/小分子复合水凝胶的介绍以石墨烯基超分子水凝胶为主,而对石墨烯/聚合物复合水凝胶的介绍以智能型水凝胶为主。第三部分主要介绍了石墨烯基水凝胶在超级电容器、水处理、控释药物、微流体开关、催化剂载体等方面的应用和发展。最后,对该领域所面临的挑战进行了总结和展望。     

石墨烯基气凝胶催化还原特性及其应用

石墨烯基气凝胶(GA)是一种内部连通的三维石墨烯宏观体,其在继承了石墨烯良好的化学稳定性和优良催化性能的同时拥有更高的比表面积和导电性。GA由于其优越的性能和独特的结构在催化、能量存储、吸附等领域得到广泛的应用。本文主要从GA催化还原特性展开,综述了具有不同催化性能的石墨烯基气凝胶的制备方法,将其总结归纳分为GA、掺杂型GA、复合型GA以及掺杂复合型GA四种类型,并详细介绍了制备方法对石墨烯基气凝胶催化性能的影响。石墨烯基气凝胶因具有优良的电化学活性和催化特性,在燃料电池、染料敏化太阳能电池、微生物电解池和电化学传感器等领域具有广泛的应用前景。最后对石墨烯基气凝胶在催化领域的应用前景进行分析和展望。     

三维石墨烯凝胶电极的制备及在电容去离子中的应用

采用液相还原法制备了石墨烯水/气凝胶三维石墨烯宏观材料,并将其作为电极应用于电容去离子中,以氯化钠作为研究对象,研究三维石墨烯凝胶电极在电容去离子中的性能.利用扫描电子显微镜、循环伏安曲线和X射线光电子能谱等多种手段考察了电极的形貌结构及特性.对比了石墨烯水凝胶与气凝胶电极应用于去离子电容中的性能差异.结果表明,水凝胶电极相对于气凝胶电极具有较好的去离子性能;采用压片法进一步对石墨烯水凝胶电极材料进行优化,结果表明,压片水凝胶、水凝胶和气凝胶3种电极材料在去离子电容中均具有较好的电容去离子效果,其电吸附容量从大到小的顺序:压片水凝胶水凝胶气凝胶.石墨烯水凝胶作为电极材料在电容去离子中具有较好的应用前景.     

氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶的研究进展

氧化石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料, 具有优异的力学性能和良好的水分散性, 其表面有大量的含氧官能团. 将氧化石墨烯引入水凝胶体系中可以提高水凝胶的机械性能, 丰富其刺激响应的类型. 目前, 氧化石墨烯水凝胶在高强度、 吸附、 自愈合及智能材料等很多领域均有出色的表现. 氧化石墨烯水凝胶的研究已有10年的历史. 本文总结了氧化石墨烯水凝胶的制备方法, 归纳了智能氧化石墨烯水凝胶在光热响应、 pH响应和自愈合3个方面的响应机理和研究进展, 并综合评述了其在高强度水凝胶、 生物医学、 智能材料和污水处理等方面的应用前景.     

石墨烯基吸附剂的设计及其对水中抗生素的去除

抗生素的大量使用,所带来的环境污染问题受到广泛关注。吸附法因去除效率高、普遍适用性强,呈现出广阔的应用前景,开发新型吸附剂是高效能吸附处理的关键。近年来石墨烯优良的物理和化学性质以及吸附性能,使其成为重要的抗生素吸附剂。由于石墨烯自身的局限性以及对石墨烯吸附剂处理效能和稳定性的要求,基于石墨烯设计开发了多种石墨烯基吸附材料。而目前基于水体中抗生素的石墨烯基复合材料的设计、合成及其吸附作用机制缺乏相关的系统性综述。本文综述了目前水体中抗生素的危害,针对石墨烯基复合吸附材料中,广泛关注的磁性石墨烯吸附剂、聚合物/石墨烯吸附剂、三维石墨烯凝胶和石墨烯/生物炭吸附剂的设计和制备方法进行了总结和概述,并阐述了石墨烯基吸附材料对水体中抗生素的主要吸附作用机制。最后,本文对石墨烯基吸附材料去除水体中抗生素未来的发展方向进行了展望。     

石墨烯基杂化材料在微生物燃料电池电极中的应用

微生物燃料电池（MFC）是利用生物催化剂将污水有机物中的化学能直接转化为电能的技术,因其功率密度和能量转化效率低,电极制作成本高,限制了其大规模实际应用。因此如何提高电极的催化性能并降低电极制作成本成为MFC的研究重点方向。由于石墨烯基杂化材料具有良好的导电性和催化特性,因此石墨烯基杂化材料成为在MFC电极应用中的热点之一。本文综述了近年来MFC石墨烯基杂化电极材料的最新研究进展,重点讨论了改性石墨烯电极、金属及非金属/石墨烯杂化电极、金属氧化物/石墨烯杂化电极、聚合物/石墨烯杂化电极和石墨烯凝胶电极的设计思路和制备方法及其催化性能,着重分析了石墨烯基阳极和阴极杂化材料对MFC产电性能的影响。最后对石墨烯基杂化材料在MFC应用中存在的问题及研究前景进行了总结和展望。     

丙烯酸基水凝胶处理重金属废水的研究进展

重金属废水因其对环境污染严重、危害人类健康而越来越引起人们的重视。丙烯酸基高分子水凝胶由于含有多种功能基团和大量的活性吸附位点,在重金属吸附方面发挥了重要作用。本文主要综述了丙烯酸基高分子水凝胶在重金属废水处理方面的研究进展,总结和归纳了聚丙烯酸基高分子水凝胶的制备方法和分类等,分析了聚丙烯酸基高分子水凝胶作为吸附剂在重金属废水处理方面存在的问题,并对其后续应用和研究进行了展望。     

石墨烯基高分子复合材料的研究进展

自2004年石墨烯被发现以来,石墨烯优异的机械、热学、电学及光学性能引起广大学者的浓厚兴趣,许多石墨烯基高分子复合材料被相继合成和表征,研究显示,石墨烯基高分子复合材料有着广泛的应用前景。本文对石墨烯基高分子复合材料的研究进展进行了综述,重点对石墨烯基高分子复合材料的制备方法和性能进行了阐述,并对其在传感器、太阳能电池、超级电容器及其他方面的应用做了相关介绍,并对石墨烯／高分子复合材料的发展前景进行了展望。     

3D石墨烯基气凝胶的制备及在超级电容器中的应用

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,由于其较高的功率密度、优良的充放电特性、超长的循环寿命,使其在移动电源,新能源汽车等众多领域具有非常广泛的应用前景。3D石墨烯基气凝胶具有多孔结构、大的比表面积、高的导电率、优异的机械性能和电子传输能力,它一直被认为是超级电容器的理想电极材料。本文综述了3D石墨烯基气凝胶的制备方法及其在超级电容器中的应用现状,并展望了其在超级电容器中的应用前景。     

MOF基水凝胶材料的制备及其应用

近年来,金属-有机骨架材料(MOFs)因为具有优异的骨架结构、丰富的孔隙度和多功能性,吸引了众多研究者的注意,各种各样的MOFs材料和MOF基复合材料被研制。但是由于MOFs大多以晶体和粉末的形式存在,其本身的刚性和易碎性限制了它的实际应用,同时MOFs在溶液中的不稳定性会导致材料的分解,一些高结晶度的MOFs还十分脆弱易碎且不易加工,因此有研究者将MOFs与水凝胶相结合,开发出许多具有优异性能的MOF基水凝胶材料。本文综述了MOF基水凝胶材料近年的研究进展,重点介绍了MOF基水凝胶的种类及其与其他材料的协同作用,讨论了MOF基水凝胶在传感、催化、水处理、伤口敷料和药物载体等方面的优势。MOF基水凝胶具有的可加工性、稳定性、易处理性为MOFs在实际应用中的研究具有指导意义。我们概述了纯MOF水凝胶、MOF@生物有机大分子水凝胶、MOF@生物相容性水凝胶,其他MOF基复合水凝胶的最新进展以及这些复合材料的应用。     

载药型硅基水凝胶角膜接触镜的研究进展

载药型角膜接触镜可以有效延长药物释放时间,提高药物的生物利用度,是一种较为理想的眼部给药方式。目前,在视力矫正领域,硅基水凝胶角膜接触镜因其具有高透氧和较低含水率的优点,已逐渐替代传统水凝胶角膜接触镜,被广泛使用,在眼科治疗及预防领域具有广阔的应用前景。本综述重点总结了近几年载药型硅基水凝胶角膜接触镜的研究进展,根据不同的载药方式对硅基水凝胶的基底结构、药物种类、药物释放机理等方面进行了详细分析,并对其发展前景进行展望。     

金纳米棒基智能复合纳米水凝胶的研究进展

金纳米棒(AuNRs)基智能复合纳米水凝胶是一类结合了AuNRs和智能纳米水凝胶两者独特性能的智能纳米材料,其最大特点是可通过外界刺激来调节AuNRs的多种性能,或通过测定其性能变化来感知外界刺激。本文首先介绍了目前文献报道的核壳结构型、无规充填型、草莓型三种形态结构的AuNRs基智能复合纳米水凝胶的特点及其合成方法。然后,总结了金纳米棒基智能复合纳米水凝胶的性能与应用研究进展。最后,对其未来的研究方向和发展前景作出了展望。     

石墨烯基气凝胶小球的可控制备

石墨烯气凝胶是由二维石墨烯片层组装成的三维宏观材料,因其孔隙率高、比表面积大和密度低等特点在水体污染物的吸附去除方面具有广阔的应用前景,已成为当今的研究热点。然而相关研究大多集中在块体石墨烯气凝胶,对于气凝胶小球的研究较少。本文结合相关领域的最新研究进展,综述了石墨烯基气凝胶小球的制备方法,包括静电喷雾、静电纺丝、微流控和湿纺等方法;以湿纺法为代表,分析了气凝胶小球的成型影响因素,如GO分散体的浓度和黏度、挤出参数、凝固浴的种类和浓度等;并进一步分析了可用于调节材料孔径的因素,例如通过控制GO浓度、GO片层尺寸、冷冻处理的温度等可实现在一定范围内材料孔径的调整。针对废水中处理对象的不同,设计吸附性能、循环使用性能优异及微观形貌可控的石墨烯基气凝胶小球并寻求制备方法的优化与创新仍是未来探索的重点。     

聚乙二醇基智能水凝胶的研究进展

聚乙二醇是一种常见的水溶性高分子,其水凝胶低毒,生物相容性好,广泛应用于生物医学和药学材料;PEG分子链的末端为活泼性基团—羟基,很容易发生化学反应得到聚乙二醇功能单体,利用这种大分子单体很容易制备出结构和性能各异的水凝胶;而且其分子量的应用范围很宽(从几百到几万)。因此利用PEG为基体制备水凝胶具有独特的优势。此外,聚乙二醇基水凝胶以其众多的刺激响应功能显示出了广阔的应用前景,引起了人们的广泛关注。本文综述了近年来聚乙二醇基水凝胶研究方面的进展,包括水凝胶的合成、结构与性能的关系等,并特别强调了点击化学与超分子化学在水凝胶的设计与合成方面的重要性。     

水凝胶基仿生离子通道及其智能离子传输

离子可控传输是维持众多正常生理活动的重要基础,而实现可控离子传输的关键是生命体系中的各类蛋白质离子通道.受此启发,科研工作者开发了一系列仿生智能离子通道,实现了类似生命体中的可控离子传输.其中,基于水凝胶体系的离子通道由于其空间荷电性和三维互通特性,展现出高离子选择性和高离子通量的优点.同时,水凝胶基离子通道的生物相容性、可形变特性及稳定的离子储存特性,使其成为智能离子传输领域的研究热点之一,该类材料已被广泛应用于离子-电子电路、医疗健康、能源转化与存储以及资源与环境等领域.本文主要从水凝胶基智能离子通道的构筑方法出发,阐述了凝胶内部离子传输机制,并对其在各领域的应用进行了总结,最后对目前水凝胶基离子通道存在的问题及未来发展趋势进行了展望.     

具有环境响应性的纤维素基水凝胶

随着对可再生资源开发利用的逐渐重视,基于纤维素环境响应型水凝胶结构设计及其响应性能的研究备受关注.环境响应纤维素基水凝胶不仅具有良好的生物相容性和生物可降解性,还表现出对环境因素特定的检出识别能力及明显响应性,拓展了水凝胶材料在生物医用、仿生智能材料等领域的应用.本综述首先从环境响应型纤维素水凝胶材料的结构设计出发,以交联方式分类简要介绍了纤维素基水凝胶的合成方法,具体包括物理交联、化学交联和其他交联方式等.接着,从水凝胶功能性入手,重点介绍了以一种或多种化学信号、物理信号为刺激源响应的纤维素基水凝胶材料;并以药物载体、形状记忆材料和伤口敷料等方面研究成果为例,阐述了环境响应型纤维素基水凝胶的相关应用,以及其在智能软体机器人和环保生物传感器等领域的巨大应用潜力.     

纤维素基智能凝胶的制备、结构及性能研究

纤维素是自然界中最丰富的生物质资源,因其具有可再生性、生物相容性、无毒、可降解等诸多特性,纤维素及其衍生物不仅广泛应用于传统的工业领域,而且在药物控释、组织工程、可穿戴设备材料等领域也有着广阔的应用前景。受到工程技术应用需求的驱动,以纤维素及其衍生物为基材的智能凝胶材料已成为目前的研究热点。作者系统研究了纤维素基智能凝胶材料的制备、结构及性能。主要内容如下： 1.制备了纤维素基气凝胶并对其进行疏水改性,研究了疏水改性后的纤维素气凝胶材料在水下吸附气体的能力,并设计了纤维素基智能捕集器,用于连续不断地吸附从海底释放的甲烷气体。 2.制备了TEMPO氧化的纳米纤维素纤维,并将其用于增强聚丙烯酰胺/明胶形状记忆水凝胶的力学性能;制备的复合水凝胶展示了较好的形状记忆行为,并且该水凝胶的形状记忆性能具有较好的可重复性。 3.利用羧甲基纤维素制备了对多种金属阳离子响应的形状记忆水凝胶;能够通过改变羧甲基纤维素与金属离子之间的交联密度,调节该水凝胶的力学性能。 4.将羧甲基纤维素钠与聚丙烯酸（PAA）复合制备出具有较优异机械性能和自修复性能的聚丙烯酸/羧甲基纤维素钠水凝胶。通过简单的浸泡法,将该复合水凝胶浸泡在氯化钠（NaCl）溶液中,可以促进CMC和PAA之间的链缠结,进一步提升其机械性能。此外,由于水凝胶的导离子性,制备的水凝胶具有良好的传导性能,有望实现在电子皮肤或可穿戴设备中的应用。     

石墨烯气凝胶的可控组装

石墨烯气凝胶一般是由石墨烯片层经过湿法化学组装或气相化学生长获得的一种具有连通多孔网络结构的石墨烯三维宏观体材料,表现出极高的比表面积、良好的导电性以及优异的机械性能等,在电化学储能、吸附、催化以及传感等领域有着极为重要的应用。本文从石墨烯气凝胶的结构设计与组装策略出发,综述了近年来石墨烯纳米结构单元在石墨烯气凝胶材料（氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、化学气相沉积（CVD）石墨烯、以及复合气凝胶等）中的组装行为,并对石墨烯气凝胶目前的现状及今后发展方向做了简要评述。     

导电水凝胶的制备

作为一种新型的功能材料,导电水凝胶已经引起广泛的关注。本文根据目前的研究现状,将导电水凝胶大致分为聚电解质导电水凝胶,酸掺杂导电水凝胶,无机物添加导电水凝胶以及导电高分子基导电水凝胶等几大类,并综述了它们的制备方法。另外,由于大分子体系的导电高分子和水凝胶都有着独特和重要的性能,这使得它们具有广阔的应用价值。所以,本文在综述导电水凝胶制备进展的同时着重综述了导电高分子基导电水凝胶的制备进展。     

酶促水凝胶的合成及生物传感应用研究进展

近年来,聚合物基水凝胶材料已经成为一种独特的修饰材料,为新型生物传感器的设计提供了新思路.酶具有特异性高、毒性低、催化效率高等良好特性,已被用于催化聚合各种新型水凝胶.本文综述了几种酶促水凝胶的合成方法及其在细胞代谢物、组织工程、伤口愈合和癌症监测等方面的潜在应用,并对基于酶促水凝胶反应的生物传感器的制备与应用进行了总结与展望.