新闻标题: 仿生三维石墨烯粉体研究中取得重要进展
发布时间: 2017年6月28日 阅读次数:402    
仿生三维石墨烯粉体研究取得重要进展
高质量石墨烯的大批量、低成本生产对加快推动二维材料的工业化进程至关重要。传统的化学剥离技术已经可以实现年产量在吨级以上的石墨烯粉体的低成本生产。然而,该技术生产的石墨烯往往存在结晶度低、表面残余富氧官能团和金属杂质等问题,片层之间存在的强π-π相互作用也会给高浓度石墨烯均匀分散体系的制备带来挑战,这些难题都将导致石墨烯在透明、导电和疏水等方面优异属性的严重降级,限制石墨烯粉体的规模化应用。另一方面,化学气相沉积法已经成为大面积、高品质石墨烯薄膜工业化生产的主流技术,石墨烯薄膜结晶质量已基本可以与微机械剥离法制备的石墨烯相媲美,表现出优良的导电性和透光性。因此,如何兼顾上述两种方法的优势,发展一种高质量石墨烯粉体的低成本、宏量制备方法,是值得学术界和工业界普遍关注的问题。

  最近,刘忠范-张艳锋课题组研究人员在仿生三维石墨烯粉体的可控生长方面取得了新的重要进展,提出了一种利用化学气相沉积技术在自然界储量丰富、工业界常见的硅藻土表面自限制直接生长石墨烯的方法。硅藻土的主要成分为二氧化硅,具有轻质、多孔等特点,可有效催化石墨烯表面生长,且易于通过湿化学工艺去除。经化学纯化的石墨烯粉体遗传了硅藻土颗粒的微观三维分级多孔结构,且具有结晶度高、生长层数可控、结构可设计性强和杂质少等优点。尤为重要的是,这种石墨烯的仿生三维曲面结构能够有效克服石墨烯层间强π-π相互作用和范德华相互作用力,阻止石墨烯片层堆垛,从而达到了在液相中快速自分散的效果,这与石墨烯薄膜的溶液加工工艺完美兼容。研究发现,使用该石墨烯分散液并利用棒涂、喷墨印刷和卷对卷热转印等工艺制备的石墨烯薄膜表现出优异的透光率、导电性和耐弯折性,其电导率相比同等条件下制备的还原氧化石墨烯和液相剥离石墨烯薄膜高1-2
个数量级,有望广泛应用于石墨烯透明电极、油墨、导热散热膜和功能复合材料等领域。该研究成果为开发新型拓扑结构低维碳材料提供了思路,也为二维晶体材料的宏量制备及其能源与环境应用研究开辟了新途径,具有非常重要的科学意义和工业推广价值。

1 仿生分级多孔石墨烯粉体生长过程示意图(a)、实物形貌(b)和石墨烯分散液(c);石墨烯电子显微形貌(d)和拉曼光谱图(e);各种可溶液加工的石墨烯导电薄膜(f-i

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Growing three-dimensional biomorphic graphene powders using naturally abundant diatomite templates towards high solution processability”于2016117日在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications 2016, 7, 13440)上,并申请了发明专利。该工作得到了来自科技部、国家自然科学基金委、教育部和北京市科委等项目的资助。

关键词:重要 进展 粉体 研究 石墨 
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