保護材料免受火災的能力對許多工業應用和生命安全系統至關重要。盡管各種化學處理和保護涂層已被證明是有效的阻燃劑，但它們只是暫時的預防措施，因為它們不會改變給定材料的固有可燃性。在這項研究中，我們證明，微結構的簡單改變可以顯著提高原子薄材料的耐火性，遠遠高于其氧化穩定性溫度。我們表明，在三維（3D）蜂窩網絡中排列的獨立石墨烯層表現出與放置在基底上的石墨烯層完全不同的可燃性和燃燒速率。共價交聯的多孔石墨烯氣凝膠可以在1500°C的空氣中抵抗火焰一分鐘，而不會降低其結構或性能。相比之下，襯底上的石墨烯在550°C以上立即點燃，并在幾秒鐘內燃燒殆盡。拉曼光譜、X射線光電子能譜和熱重分析研究表明，多孔石墨烯的優異阻燃和自熄性能源自防止羰基缺陷形成和捕獲孔隙中不可燃二氧化碳氣體的能力。我們的研究結果為理解石墨烯在3D結構/組件中的阻燃機理提供了重要信息，可用于增強碳基材料的阻燃性、防止火災和限制火災損害。
圖1.使用丙烷火焰對SiO
2上的石墨烯氣凝膠和單層石墨烯進行阻燃測試。（a） 石墨烯氣凝膠與丙烷火焰相互作用50秒的演示。（b）SEM顯微照片顯示了石墨烯氣氣凝膠暴露于丙烷火焰50秒和120秒前后的相同斑點（MLG）。（e）石墨烯氣凝膠和（f）SiO
2上的石墨烯在經受丙烷火焰前后的拉曼光譜。
圖2.石墨烯氣凝膠在不同類型火焰中的阻燃性和燃燒行為。（a） 燃燒實驗中使用的不同火焰的圖示。（b） 當石墨烯氣凝膠暴露于氫火焰時，使用紅外（IR）相機進行熱成像。（c） 石墨烯氣凝膠暴露于不同火焰后的體積變化。（d） 石墨烯氣凝膠和單層石墨烯在SiO
2上的燃燒速率與溫度和火焰類型的關系。
圖3.使用異丙醇火焰（IPAF）對SiO
2上的石墨烯氣凝膠和單層石墨烯進行阻燃測試。（a） 暴露于IPAF 60分鐘的石墨烯氣凝膠的光學、IR和SEM圖像。（c） 暴露于IPAF不同時間段的SiO
2上單層石墨烯的光學圖像和（d）拉曼光譜。
圖4.暴露于丙烷和IPA火焰的石墨烯氣凝膠的XPS分析。（a） 暴露于丙烷火焰的石墨烯氣凝膠的C1s和（b）O1s光譜。（c） 暴露于丙烷火焰的石墨烯氣凝膠中碳和不同氧鍵濃度隨時間的變化。（d） 暴露于IPAF的石墨烯氣凝膠的C1s和（e）O1s光譜。（f） 暴露于IPAF前后石墨烯氣凝膠中碳和不同氧鍵濃度的變化。
圖5. 不同氣氛下石墨烯氣凝膠的TGA。（a） 石墨烯氣凝膠在不同氧濃度的Ar氣氛中的TGA和（b）DTGA圖。（c） 石墨烯氣凝膠在不同氧氣濃度的CO
2氣氛中的TGA和（d）DTGA圖。（e） 石墨烯氣凝膠樣品在含有空氣/CO
2混合物的反應室中在W加熱元件上加熱的光學圖像。（f） 石墨烯氣凝膠在不同CO
2濃度的空氣中隨溫度變化的質量損失。
圖6.多孔石墨烯氣凝膠的阻燃和燃燒機制示意圖。它顯示了基于孔隙中CO
2捕獲的氣相阻燃機制，這導致石墨烯氣凝膠中氧含量的降低。右側的示意圖顯示了耐火階段（第1階段）和燃燒階段（第2階段）火焰暴露前后獨立石墨烯的原子模型。
相關研究成果由捷克科學院物理研究所Ji?í ?ervenka等人2022年發表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09076)上。原文：High-Temperature Fire Resistance and Self-Extinguishing Behavior of Cellular Graphene。
轉自《石墨烯研究》公眾號
