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馬裡蘭大學:開關之間實現石墨烯材料的高性能組裝

二維石墨烯材料由于其優異性能而在很多領域都有廣泛的應用前景。然而,基于石墨烯納米片的宏觀結構材料(如纖維,薄膜,複雜形狀的塊體材料)在導電性和載流子遷移率方面等方面的性能遠遠小于一片單獨的高質量石墨烯納米片。這是因為随着宏觀結構的尺寸增加,石墨烯納米片橫向尺寸受到限制,同時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械,電學和熱學等性質。 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構宏觀堆疊的不可滲透性,難以完全去除溶劑或氣體以實現高度緻密結構。因此,開發一種新的方法來擴大和快速制造具有優異性能的高密度石墨烯架構具有重要意義。

近日,來自美國馬裡蘭大學的胡良兵副教授(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上發表研究長文,題為“Nanomanufacturing of Graphene Nanosheets through Nano-Hole Opening and Closing”。

作者報道了通過控制石墨烯納米片上納米孔的開,關實現高密度,高質量石墨烯體相材料的裝配。利用在石墨烯納米片上誘導形成的納米孔,實現多孔石墨烯的幹法壓制或模塑成型,亦可實現液相處理時的溶劑快速移除。成型後,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複(~2700K)。

與石墨爐中的傳統高溫處理不同,焦耳電加熱速度快,最快可達幾毫秒[參考文獻],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處可以引起超高溫。自修複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,這有助于構建高密度石墨烯結構,從而導緻高電導率和熱導率。

分子動力學(MD)模拟表明,閉孔或修複機制涉及共轭碳結構的重建,其中碳自由基在高溫下填充修複納米孔。閉孔後的愈合石墨烯體相結構表現出優異的電導(2209 S / cm),熱導(863W / mK)和機械強度等。

圖1少層石墨烯納米片上打開和關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分子動力學模拟閉孔原理。

圖5閉孔石墨烯導電導熱性。

作者發現在熱空氣中加熱石墨烯納米片導緻的納米孔,可以在2700 K的高溫處理後修複愈合。多孔石墨烯的優勢為快速制造高質量的石墨烯結構開辟了新的策略,在通過焦耳加熱進行快速高溫處理之後,高密度石墨烯膜或具有孔的組件可以轉變為無孔,高度結晶的石墨烯結構。在MD建模的支持下,所提出的納米孔和石墨烯納米片共轭網絡的修複機制是碳原子重組和碳自由基在高溫下填充孔中,形成與石墨烯一緻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建和修複孔的策略提供了調整石墨烯缺陷的新工具,用于分離,傳感器,晶體管等應用,同時提供了快速制造具有超高導電性和導熱性的石墨烯材料的新途徑,用于智能手機,平闆電腦,電動汽車和航空航天業的下一代集成電路和高功率電池系統。

來源: GrapNews

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