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馬里蘭大學(xué)胡良兵、NASA林奕：開, 關(guān)之間實(shí)現(xiàn)石墨烯材料的高性能組裝

2018-11-12 11:59:01 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

二維石墨烯材料由于其優(yōu)異性能而在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。然而，基于石墨烯納米片的宏觀結(jié)構(gòu)材料（如纖維，薄膜，復(fù)雜形狀的塊體材料）在導(dǎo)電性和載流子遷移率方面等方面的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一片單獨(dú)的高質(zhì)量石墨烯納米片。這是因?yàn)殡S著宏觀結(jié)構(gòu)的尺寸增加，石墨烯納米片橫向尺寸受到限制，同時(shí)缺陷的影響變得更加顯著。目前制造基于石墨烯的體相材料經(jīng)常需要引入缺陷，但是這些缺陷難以完全去除，并且降低了材料的機(jī)械，電學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)。目前常用的使用少層石墨烯或還原/氧化石墨烯為原材料的加工制造方法具有一些限制，由于這種二維片狀納米結(jié)構(gòu)宏觀堆疊的不可滲透性，難以完全去除溶劑或氣體以實(shí)現(xiàn)高度致密結(jié)構(gòu)。因此，開發(fā)一種新的方法來擴(kuò)大和快速制造具有優(yōu)異性能的高密度石墨烯架構(gòu)具有重要意義。

近日，來自美國馬里蘭大學(xué)的胡良兵副教授（通訊作者），陳亞楠博士（第一作者），王以林博士（共同一作）和美國航空航天研究所的林奕副研究員（通訊作者）合作在Materials Today上發(fā)表研究長文，題為“Nanomanufacturing of Graphene Nanosheets through Nano-Hole Opening and Closing”。作者報(bào)道了通過控制石墨烯納米片上納米孔的開，關(guān)實(shí)現(xiàn)高密度，高質(zhì)量石墨烯體相材料的裝配。利用在石墨烯納米片上誘導(dǎo)形成的納米孔，實(shí)現(xiàn)多孔石墨烯的干法壓制或模塑成型，亦可實(shí)現(xiàn)液相處理時(shí)的溶劑快速移除。成型后，納米片上的納米孔可以通過電加熱方法在高溫下快速快速閉合或修復(fù)（~2700K）。與石墨爐中的傳統(tǒng)高溫處理不同，焦耳電加熱速度快，最快可達(dá)幾毫秒[參考文獻(xiàn)]，成本低，并且在存在更高電阻的石墨烯納米片之間的接合點(diǎn)處可以引起超高溫。自修復(fù)熱還原使得可以在缺陷處在相鄰的石墨烯納米片之間形成交聯(lián)，這有助于構(gòu)建高密度石墨烯結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。分子動力學(xué)（MD）模擬表明，閉孔或修復(fù)機(jī)制涉及共軛碳結(jié)構(gòu)的重建，其中碳自由基在高溫下填充修復(fù)納米孔。閉孔后的愈合石墨烯體相結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)（2209 S / cm），熱導(dǎo)（863W / mK）和機(jī)械強(qiáng)度等。

【圖文速遞】

圖1 少層石墨烯納米片上打開和關(guān)閉孔的過程的示意圖，以制造高密度和無缺陷的2D石墨烯膜和3D石墨烯組件。

圖2 開孔石墨烯表征。

圖3 閉孔石墨烯表征。

圖4 分子動力學(xué)模擬閉孔原理。

圖5 閉孔石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱性。

【小結(jié)】

作者發(fā)現(xiàn)在熱空氣中加熱石墨烯納米片導(dǎo)致的納米孔，可以在2700 K的高溫處理后修復(fù)愈合。多孔石墨烯的優(yōu)勢為快速制造高質(zhì)量的石墨烯結(jié)構(gòu)開辟了新的策略，在通過焦耳加熱進(jìn)行快速高溫處理之后，高密度石墨烯膜或具有孔的組件可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊o孔，高度結(jié)晶的石墨烯結(jié)構(gòu)。在MD建模的支持下，所提出的納米孔和石墨烯納米片共軛網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)機(jī)制是碳原子重組和碳自由基在高溫下填充孔中，形成與石墨烯一致的近乎完美的碳晶格。作者展望利用熱處理在石墨烯納米片上創(chuàng)建和修復(fù)孔的策略提供了調(diào)整石墨烯缺陷的新工具，用于分離，傳感器，晶體管等應(yīng)用，同時(shí)提供了快速制造具有超高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的石墨烯材料的新途徑，用于智能手機(jī)，平板電腦，電動汽車和航空航天業(yè)的下一代集成電路和高功率電池系統(tǒng)。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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