三維石墨烯粉體的仿生模板CVD制備：通向高效溶液加工

劉鳴華

(國(guó)家納米科學(xué)中心，北京100190)

三維石墨烯粉體的仿生模板CVD制備：通向高效溶液加工

劉鳴華

(國(guó)家納米科學(xué)中心，北京100190)

高質(zhì)量石墨烯的大批量、低成本生產(chǎn)對(duì)加快推動(dòng)二維晶體材料的工業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。傳統(tǒng)的化學(xué)剝離法已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)量在噸級(jí)以上的石墨烯粉體的低成本制備。然而，該法生產(chǎn)的石墨烯往往存在結(jié)晶度低、表面殘余富氧官能團(tuán)和金屬雜質(zhì)等問題，片層之間存在的強(qiáng)π－π相互作用，也會(huì)給高濃度石墨烯分散液的制備帶來困難，這些難題都將導(dǎo)致石墨烯在透明、導(dǎo)電和疏水等方面的優(yōu)異屬性嚴(yán)重降級(jí)，限制石墨烯粉體的規(guī)?；瘧?yīng)用。另一方面，化學(xué)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(shù)，石墨烯薄膜結(jié)晶質(zhì)量已基本可以與微機(jī)械剝離法制備的石墨烯相媲美，表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性和透光性，但其成本較高，應(yīng)用范圍也存在一定的局限性。因此，如何兼顧上述兩種方法的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展一種高質(zhì)量石墨烯粉體的低成本、宏量制備方法，成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重大挑戰(zhàn)。

圖1 仿生分級(jí)多孔石墨烯粉體生長(zhǎng)過程示意圖(a)；粉體實(shí)物形貌(b)和石墨烯分散液(c)；石墨烯電子顯微形貌(d)和拉曼光譜分析比較(e)；棒涂法制備石墨烯透明導(dǎo)電薄膜(f)及面電阻測(cè)試(g)；噴墨打印(h)和卷對(duì)卷熱轉(zhuǎn)印(i)工藝制備的石墨烯薄膜1

最近，北京大學(xué)劉忠范-張艷鋒課題組1研究人員，提出了一種利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在自然界儲(chǔ)量豐富、工業(yè)常用的硅藻土表面自限制直接生長(zhǎng)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(diǎn)，可有效催化石墨烯的表面生長(zhǎng)，且易于通過后續(xù)濕化學(xué)腐蝕工藝去除。經(jīng)化學(xué)純化的石墨烯粉體保留了硅藻土單個(gè)顆粒的微觀三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，具有結(jié)晶度高、生長(zhǎng)層數(shù)可控、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)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(dá)到了石墨烯在液相中快速自分散的效果，這與低成本石墨烯薄膜的溶液加工工藝完美兼容。研究結(jié)果表明，經(jīng)去除硅藻土模板后，該石墨烯粉體的比表面積高達(dá)1137.2 m2·g－1，在聚甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑中表現(xiàn)出極好的分散性和穩(wěn)定性，相比以往耗時(shí)的化學(xué)剝離過程中的分散工藝要高效很多。利用棒涂制膜技術(shù)將乙基纖維素(EC)穩(wěn)定的高濃度石墨烯分散液涂覆在云母基底表面，干燥后所得石墨烯薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的透光率、導(dǎo)電性和耐彎折性，其電導(dǎo)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要高1－2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，由于良好的溶液可加工性，該石墨烯粉體也能夠與工業(yè)上常見的噴墨印刷和卷對(duì)卷熱轉(zhuǎn)印等工藝兼容，可望在石墨烯透明電極、油墨、導(dǎo)熱散熱膜和功能復(fù)合材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該研究成果為開發(fā)新型拓?fù)浣Y(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(yīng)用研究開辟了新途徑，具有非常重要的科學(xué)意義和工業(yè)推廣價(jià)值。相關(guān)研究論文已在Nature Communications1雜志在線發(fā)表。

Reference

(1)Chen,K.;Li,C.;Shi,L.;Gao,T.;Song,X.;Bachmatiuk,A.;Zou, Z.;Deng,B.;Ji,Q.;Ma,D.;Peng,H.;Du,Z.;Rummeli,M.H.; Zhang,Y.;Liu,Z.Nat.Commun.2016,7,13440.doi:10.1038/ ncomms13440

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10.3866/PKU.WHXB201612071www.whxb.pku.edu.cn