高質(zhì)量宏觀石墨烯膜批量化制備

近日，武漢理工大學理學院何大平教授團隊在宏觀石墨烯膜的研究上取得創(chuàng)新性突破，提出二維納米片靜電排斥對齊策略有效實現(xiàn)了高質(zhì)量宏觀石墨烯膜的批量化制備。該研究成果以“Scalable Assembly of High Quality Graphene Films Via Electrostatic Repulsion Aligning”為題，發(fā)表在國際材料領域頂級期刊《Advanced Materials》上。團隊博士研究生錢偉和傅華強為論文共同第一作者，材料科學與工程學院李寶文教授為論文共同通訊作者。

石墨烯被稱為二十一世紀的新材料之王，兼具柔性、輕質(zhì)及超高的導電、導熱與耐腐蝕等特性，在熱管理、傳感器和電子器件等領域具有廣泛的應用前景。為實現(xiàn)石墨烯材料的宏觀應用，需要將其組裝為高質(zhì)量的宏觀材料。傳統(tǒng)的高性能宏觀石墨烯膜的合成通常是以氧化石墨烯為前驅體，經(jīng)過化學、高溫還原及輥壓等復雜工藝處理得到。相比之下，使用低缺陷的原始石墨烯作為前軀體可以有效避免復雜工藝帶來的高能耗問題。然而，微觀尺寸的石墨烯在宏觀組裝過程中產(chǎn)生的孔洞缺陷和無規(guī)則排列將嚴重降低宏觀石墨烯膜的各項本征性能。

宏觀石墨烯復合膜的制備表征及性能圖 基于團隊前期石墨烯與二維納米材料（MOF納米片、Mxene等）（ACS Nano， 2022， 16， 3934；iScience， 2022， 25， 105001）相互作用研究的基礎上，本研究工作提出利用二維材料之間靜電排斥對齊效應，通過在原始石墨烯（PG）前驅體中添加微量的高電負性二氧化鈦納米片（TiNS），實現(xiàn)了高度有序且致密的宏觀石墨烯膜制備。研究表明，二氧化鈦納米片的高電負性改善了石墨烯漿料的分散性，從而促進了石墨烯納米片的有序自組裝。與純石墨烯漿料組裝的宏觀膜相比，優(yōu)化制備的宏觀石墨烯膜內(nèi)部微觀結構缺陷顯著減少，堆疊組裝的石墨烯片層的取向性顯著提升，使宏觀石墨烯膜的各向綜合性能顯著提高。其中，電導率提高了近一個數(shù)量級（達到1.285×105S/m），拉伸強度提高近4倍，同時展示出優(yōu)異的柔性（耐彎折超5000次）。

石墨烯的高質(zhì)量、低成本宏觀組裝是實現(xiàn)其應用的關鍵難題，這種利用靜電排斥對齊效應的策略簡單有效且易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，對發(fā)展石墨烯等二維材料的調(diào)控、組裝、制造等具有重要的科學意義與應用價值。該研究得到了清華大學南策文院士的大力支持，得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委的資助。

審核編輯 ：李倩