近日，武漢理工大學(xué)理學(xué)院何大平教授團(tuán)隊(duì)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(duì)齊策略有效實(shí)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(guó)際材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上。團(tuán)隊(duì)博士研究生錢(qián)偉和傅華強(qiáng)為論文共同第一作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院李寶文教授為論文共同通訊作者。

石墨烯被稱(chēng)為二十一世紀(jì)的新材料之王，兼具柔性、輕質(zhì)及超高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱與耐腐蝕等特性，在熱管理、傳感器和電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)石墨烯材料的宏觀應(yīng)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(qū)體，經(jīng)過(guò)化學(xué)、高溫還原及輥壓等復(fù)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(fù)雜工藝帶來(lái)的高能耗問(wèn)題。然而，微觀尺寸的石墨烯在宏觀組裝過(guò)程中產(chǎn)生的孔洞缺陷和無(wú)規(guī)則排列將嚴(yán)重降低宏觀石墨烯膜的各項(xiàng)本征性能。

宏觀石墨烯復(fù)合膜的制備表征及性能圖

基于團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上，本研究工作提出利用二維材料之間靜電排斥對(duì)齊效應(yīng)，通過(guò)在原始石墨烯（PG）前驅(qū)體中添加微量的高電負(fù)性二氧化鈦納米片（TiNS），實(shí)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(fù)性改善了石墨烯漿料的分散性，從而促進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)（達(dá)到1.285×105S/m），拉伸強(qiáng)度提高近4倍，同時(shí)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(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵難題，這種利用靜電排斥對(duì)齊效應(yīng)的策略簡(jiǎn)單有效且易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，對(duì)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(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。該研究得到了清華大學(xué)南策文院士的大力支持，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。

何大平，武漢理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任理學(xué)院副院長(zhǎng)，湖北省宏觀石墨烯技術(shù)專(zhuān)業(yè)型研究所所長(zhǎng)。主要從事功能化石墨烯材料的制備與應(yīng)用，尤其是石墨烯材料的合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控及其在熱管理、新能源設(shè)備、傳感器及射頻微波等交叉領(lǐng)域應(yīng)用，依托所建立的相關(guān)產(chǎn)學(xué)研配套平臺(tái)成功推動(dòng)多項(xiàng)成果轉(zhuǎn)化落地。個(gè)人獲“英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓學(xué)者”“湖北省高層次人才計(jì)劃（創(chuàng)業(yè)類(lèi)）”“武漢英才（創(chuàng)業(yè)類(lèi)）”等榮譽(yù)，2022年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)獲“全國(guó)工人先鋒號(hào)”榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

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https://doi.org/10.1002/adma.202206101

審核編輯 ：李倩