石墨烯氣凝膠，經(jīng)由石墨烯片層三維搭接、組裝而來的石墨烯宏觀體材料，具有三維連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高比表面積、高孔隙率、優(yōu)異導(dǎo)電性能及電化學(xué)行為，在能源存儲、傳感、吸附、復(fù)合材料等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。然而，目前常規(guī)石墨烯氣凝膠的三維組裝以石墨烯片層間的“面-面”局部搭接方式為主，進而形成具有三維無規(guī)連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)。石墨烯片層間的這種“面-面”堆垛-搭接方式，是一種無規(guī)、隨機組裝，往往會使得部分石墨烯片層形成類石墨結(jié)構(gòu)，造成石墨烯本征性能（如比表面積、力學(xué)、電學(xué)等）損失。此外，傳統(tǒng)石墨烯氣凝膠所具有的這種無規(guī)三維多孔網(wǎng)絡(luò)還引入高界面電阻及曲折離子通道問題，對電化學(xué)行為中的電荷-離子傳輸及有效電化學(xué)活性面積維持帶來負面影響，成為制約石墨烯材料在電化學(xué)能源器件中應(yīng)用的瓶頸。因此，如何設(shè)計新的石墨烯組裝策略，制備高性能石墨烯氣凝膠材料，仍是一個重要挑戰(zhàn)。

針對石墨烯氣凝膠目前存在的問題，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團隊通過“局部氧化刻蝕”在氧化石墨烯片層上進行造孔，獲得孔洞氧化石墨烯，隨后將孔洞氧化石墨烯與還原劑分散液高度濃縮，實現(xiàn)其液晶化，進一步經(jīng)原位溶膠凝膠及超臨界干燥獲得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠，如圖所示。所得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠由孔洞石墨烯片層經(jīng)有序排列而成，表現(xiàn)出規(guī)整的三維多孔網(wǎng)絡(luò)（規(guī)整的孔道/孔壁及孔壁上的大量微孔）、低密度（42-55 mg cm^-3）、高導(dǎo)電性（~165 S m^-1）、高比表面積（537~837 m² g^-1）等諸多優(yōu)點。最后將該氣凝膠作為電極材料，輔以共晶混合物“水-甲酰胺”作為低溫電解液，構(gòu)建出可在溫度低至零下40°C的環(huán)境中正常工作的柱狀低溫?zé)犭娀瘜W(xué)池，表現(xiàn)出低離子傳輸阻力（15.7 Ω）及高輸出功率（3.6 W m^-2）。當15個熱電化學(xué)池進行串聯(lián)組裝成器件時，可實現(xiàn)~2.1 V電壓的穩(wěn)定輸出，在低溫能源器件應(yīng)用中表現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。

相關(guān)成果以High-Efficiency Cryo-Thermocells Assembled with Anisotropic Holey Graphene Aerogel Electrodes and a Eutectic Redox Electrolyte 為題發(fā)表在國際期刊《先進材料》（Advanced Materials，2019，1901403）上。博士生李廣勇、碩士董大鵬及澳門大學(xué)教授洪果為論文共同第一作者，張學(xué)同與英國UCL教授宋文輝為論文共同通訊作者，合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授閆立峰。論文工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、英國皇家學(xué)會-牛頓高級學(xué)者基金等資助。

圖：各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠基本表征：氧化石墨烯片層的透射電鏡照片（a1）及氧化石墨烯液晶的偏光顯微鏡照片（b1），孔洞氧化石墨烯片層的透射電鏡照片（a2）及氧化石墨烯液晶的偏光顯微鏡照片（b2），氧化石墨烯及孔洞氧化石墨烯片層的拉曼光譜（c），各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠的光學(xué)照片（d）、掃描電鏡照片（e，f）、力學(xué)（g）、電學(xué)（h）及比表面積數(shù)據(jù)（i）。