北京大學劉忠范-張艷鋒課題組在仿生三維石墨烯粉體研究中取得重要進展
時間：2021-04-06 16:26:02學院：化學與分子工程學院學校：北京大學
高質(zhì)量石墨烯的大批量、低成本生產(chǎn)對加快推動二維材料的工業(yè)化進程至關重要。傳統(tǒng)的化學剝離技術已經(jīng)可以實現(xiàn)年產(chǎn)量在噸級以上的石墨烯粉體的低成本生產(chǎn)。然而，該技術生產(chǎn)的石墨烯往往存在結(jié)晶度低、表面殘余富氧官能團和金屬雜質(zhì)等問題，片層之間存在的強π-π相互作用也會給高濃度石墨烯均勻分散體系的制備帶來挑戰(zhàn)，這些難題都將導致石墨烯在透明、導電和疏水等方面優(yōu)異屬性的嚴重降級，限制石墨烯粉體的規(guī)模化應用。另一方面，化學氣相沉積法已經(jīng)成為大面積、高品質(zhì)石墨烯薄膜工業(yè)化生產(chǎn)的主流技術，石墨烯薄膜結(jié)晶質(zhì)量已基本可以與微機械剝離法制備的石墨烯相媲美，表現(xiàn)出優(yōu)良的導電性和透光性。因此，如何兼顧上述兩種方法的優(yōu)勢，發(fā)展一種高質(zhì)量石墨烯粉體的低成本、宏量制備方法，是值得學術界和工業(yè)界普遍關注的問題。
最近，北京大學劉忠范-張艷鋒課題組研究人員在仿生三維石墨烯粉體的可控生長方面取得了新的重要進展，提出了一種利用化學氣相沉積技術在自然界儲量豐富、工業(yè)界常見的硅藻土表面自限制直接生長石墨烯的方法。硅藻土的主要成分為二氧化硅，具有輕質(zhì)、多孔等特點，可有效催化石墨烯表面生長，且易于通過濕化學工藝去除。經(jīng)化學純化的石墨烯粉體遺傳了硅藻土顆粒的微觀三維分級多孔結(jié)構(gòu)，且具有結(jié)晶度高、生長層數(shù)可控、結(jié)構(gòu)可設計性強和雜質(zhì)少等優(yōu)點。尤為重要的是，這種石墨烯的仿生三維曲面結(jié)構(gòu)能夠有效克服石墨烯層間強π-π相互作用和范德華相互作用力，阻止石墨烯片層堆垛，從而達到了在液相中快速自分散的效果，這與石墨烯薄膜的溶液加工工藝完美兼容。研究發(fā)現(xiàn)，使用該石墨烯分散液并利用棒涂、噴墨印刷和卷對卷熱轉(zhuǎn)印等工藝制備的石墨烯薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的透光率、導電性和耐彎折性，其電導率相比同等條件下制備的還原氧化石墨烯和液相剝離石墨烯薄膜高1-2個數(shù)量級，有望廣泛應用于石墨烯透明電極、油墨、導熱散熱膜和功能復合材料等領域。該研究成果為開發(fā)新型拓撲結(jié)構(gòu)低維碳材料提供了思路，也為二維晶體材料的宏量制備及其能源與環(huán)境應用研究開辟了新途徑，具有非常重要的科學意義和工業(yè)推廣價值。
仿生分級多孔石墨烯粉體生長過程示意圖（a）、實物形貌（b）和石墨烯分散液（c）；石墨烯電子顯微形貌（d）和拉曼光譜圖（e）；各種可溶液加工的石墨烯導電薄膜（f-i）
相關研究論文“Growing three-dimensional biomorphic graphene powders using naturally abundant diatomite templates towards high solution processability”于2016年11月7日在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications, 2016, 7, 13440. doi: 10.1038/ncomms13440）上，并申請了發(fā)明專利。陳珂博士后為論文第一作者，劉忠范院士、張艷鋒研究員為共同通訊作者。該工作得到了來自科技部、國家自然科學基金委、教育部和北京市科委等項目的資助。
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