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马里兰大学:开关之间实现石墨烯材料的高性能组装

二维石墨烯材料由于其优异性能而在很多领域都有广泛的应用前景。然而,基于石墨烯纳米片的宏观结构材料(如纤维,薄膜,复杂形状的块体材料)在导电性和载流子迁移率方面等方面的性能远远小于一片单独的高质量石墨烯纳米片。这是因为随着宏观结构的尺寸增加,石墨烯纳米片横向尺寸受到限制,同时缺陷的影响变得更加显著。

目前制造基于石墨烯的体相材料经常需要引入缺陷,但是这些缺陷难以完全去除,并且降低了材料的机械,电学和热学等性质。 目前常用的使用少层石墨烯或还原/氧化石墨烯为原材料的加工制造方法具有一些限制,由于这种二维片状纳米结构宏观堆叠的不可渗透性,难以完全去除溶剂或气体以实现高度致密结构。因此,开发一种新的方法来扩大和快速制造具有优异性能的高密度石墨烯架构具有重要意义。

近日,来自美国马里兰大学的胡良兵副教授(通讯作者),陈亚楠博士(第一作者),王以林博士(共同一作)和美国航空航天研究所的林奕副研究员(通讯作者)合作在Materials  Today上发表研究长文,题为“Nanomanufacturing of Graphene Nanosheets through Nano-Hole Opening and Closing”。

作者报道了通过控制石墨烯纳米片上纳米孔的开,关实现高密度,高质量石墨烯体相材料的装配。利用在石墨烯纳米片上诱导形成的纳米孔,实现多孔石墨烯的干法压制或模塑成型,亦可实现液相处理时的溶剂快速移除。成型后,纳米片上的纳米孔可以通过电加热方法在高温下快速快速闭合或修复(~2700K)。

与石墨炉中的传统高温处理不同,焦耳电加热速度快,最快可达几毫秒[参考文献],成本低,并且在存在更高电阻的石墨烯纳米片之间的接合点处可以引起超高温。自修复热还原使得可以在缺陷处在相邻的石墨烯纳米片之间形成交联,这有助于构建高密度石墨烯结构,从而导致高电导率和热导率。

分子动力学(MD)模拟表明,闭孔或修复机制涉及共轭碳结构的重建,其中碳自由基在高温下填充修复纳米孔。闭孔后的愈合石墨烯体相结构表现出优异的电导(2209 S / cm),热导(863W / mK)和机械强度等。

马里兰大学:开关之间实现石墨烯材料的高性能组装图1少层石墨烯纳米片上打开和关闭孔的过程的示意图,以制造高密度和无缺陷的2D石墨烯膜和3D石墨烯组件。

马里兰大学:开关之间实现石墨烯材料的高性能组装

图2开孔石墨烯表征。

马里兰大学:开关之间实现石墨烯材料的高性能组装

图3闭孔石墨烯表征。

马里兰大学:开关之间实现石墨烯材料的高性能组装

图4分子动力学模拟闭孔原理。

马里兰大学:开关之间实现石墨烯材料的高性能组装

图5闭孔石墨烯导电导热性。

作者发现在热空气中加热石墨烯纳米片导致的纳米孔,可以在2700 K的高温处理后修复愈合。多孔石墨烯的优势为快速制造高质量的石墨烯结构开辟了新的策略,在通过焦耳加热进行快速高温处理之后,高密度石墨烯膜或具有孔的组件可以转变为无孔,高度结晶的石墨烯结构。在MD建模的支持下,所提出的纳米孔和石墨烯纳米片共轭网络的修复机制是碳原子重组和碳自由基在高温下填充孔中,形成与石墨烯一致的近乎完美的碳晶格。作者展望利用热处理在石墨烯纳米片上创建和修复孔的策略提供了调整石墨烯缺陷的新工具,用于分离,传感器,晶体管等应用,同时提供了快速制造具有超高导电性和导热性的石墨烯材料的新途径,用于智能手机,平板电脑,电动汽车和航空航天业的下一代集成电路和高功率电池系统。

来源: GrapNews

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