• 武漢理工大學Advanced Materials: 宏觀石墨烯膜最新研究成果

    近日,武漢理工大學理學院何大平教授團隊在宏觀石墨烯膜的研究上取得創新性突破,提出二維納米片靜電排斥對齊策略有效實現了高質量宏觀石墨烯膜的批量化制備。該研究成果以“Scalable Assembly of High Quality Graphene Films Via Electrostatic Repulsion Aligning”為題,發表在國際材料領域頂級期刊《Advanced Materials》上。團隊博士研究生錢偉和傅華強為論文共同第一作者,材料科學與工程學院李寶文教授為論文共同通訊作者。 石墨烯被稱為二十一世紀的新材料之王,兼具柔性、輕質及超高的導電、導熱與耐腐蝕等特性,在熱管理、傳感器和電子器件等領域具有廣泛的應用前景。為實現石墨烯材料的宏觀應用,需要將其組裝為高質量的宏觀材料。傳統的高性能宏觀石墨烯膜的合成通常是以氧化石墨烯為前驅體,經過化學、高溫還原及輥壓等復雜工藝處理得到。相比之下,使用低缺陷的原始石墨烯作為前軀體可以有效避免復雜工藝帶來的高能耗問題。然而,微觀尺寸的石墨烯在宏觀組裝過程中產生的孔洞缺陷和無規則排列將嚴重降低宏觀石墨烯膜的各項本征性能。 基于團隊前期石墨烯與二維納米材料(MOF納米片、Mxene等)(ACS Nano, 2022, 16, 3934;iScience, 2022, 25, 105001)相互作用研究的基礎上,本研究工作提出利用二維材料之間靜電排斥對齊效應,通過在原始石墨烯(PG)前驅體中添加微量的高電負性二氧化鈦納米片(TiNS),實現了高度有序且致密的宏觀石墨烯膜制備。研究表明,二氧化鈦納米片的高電負性改善了石墨烯漿料的分散性,從而促進了石墨烯納米片的有序自組裝。與純石墨烯漿料組裝的宏觀膜相比,優化制備的宏觀石墨烯膜內部微觀結構缺陷顯著減少,堆疊組裝的石墨烯片層的取向性顯著提升,使宏觀石墨烯膜的各向綜合性能顯著提高。其中,電導率提高了近一個數量級(達到1.285×105S/m),拉伸強度提高近4倍,同時展示出優異的柔性(耐彎折超5000次)。 石墨烯的高質量、低成本宏觀組裝是實現其應用的關鍵難題,這種利用靜電排斥對齊效應的策略簡單有效且易實現規?;a,對發展石墨烯等二維材料的調控、組裝、制造等具有重要的科學意義與應用價值。該研究得到了清華大學南策文院士的大力支持,得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委的資助。 何大平,武漢理工大學教授、博士生導師,現任理學院副院長,湖北省宏觀石墨烯技術專業型研究所所長。主要從事功能化石墨烯材料的制備與應用,尤其是石墨烯材料的合成與結構調控及其在熱管理、新能源設備、傳感器及射頻微波等交叉領域應用,依托所建立的相關產學研配套平臺成功推動多項成果轉化落地。個人獲“英國皇家學會牛頓學者”“湖北省高層次人才計劃(創業類)”“武漢英才(創業類)”等榮譽,2022年帶領團隊獲“全國工人先鋒號”榮譽稱號。

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    石墨烯正在進入電子和工業應用領域

    2018年,咨詢公司麥肯錫估計,2030年由石墨烯制造的半導體市場總值可達700億美元。IDTechEx公司2021年報道,公司收到大批量的石墨烯訂單,包括用于超級電容器、鋰離子電池、涂層和熱管理領域;2022年7月,IDTechEx公司的報告顯示,石墨烯材料的種類、制造商和生產工藝種類繁多,應用多樣,價格差異很大。直到最近,石墨烯檢測的國際標準才開始實施。今年6月,《二維材料》雜志發表了國際上不同實驗室對通過化學氣相沉積(CVD)生長的石墨烯測量方法的首次比較結果,該研究有助于提高國際標準的準確性。 由美洲的大型鋼鐵生產商Gerdau成立的、總部位于巴西的Gerdau Graphene公司主要開發和銷售基于石墨烯應用的產品。該公司從多個來源獲取石墨烯材料,加工成各種不同產品的添加劑,例如聚合物、涂料和潤滑劑。對于不同的產品,石墨烯的分散配方不同。最終產品為1到10個原子厚的石墨烯均勻分散在與最終應用兼容的基質中。該公司用石墨烯作為聚合物材料的增強體,生產強度更高的塑料。目前上市的產品有石墨烯增強聚丙烯和聚乙烯母料。聚乙烯母料后續可用于制造更堅固、更薄的包裝和薄膜。

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    Matter:具有晶體-非晶雙相超結構的高強韌氧化石墨烯纖維

    近日,北京航空航天大學化學學院郭林教授、岳永海教授與歐洲國際納米技術研究所王中長研究員等通過在氧化石墨烯纖維中構建晶體-非晶雙相超結構,制備了一種具有高強度(935 MPa)和高韌性(10.6 MJ m-3)的纖維。不同于目前常規使用大片氧化石墨烯或者還原石墨烯的方法,該晶體-非晶雙相強化策略提供了一種全新的制備高性能氧化石墨烯基纖維的方法。該工作以“Super-strong graphene oxide-based fibres reinforced by a crystalline-amorphous superstructure”為題發表在 Matter 上。北航化學學院李逢時博士后為文章第一作者,趙赫威副教授、博士生孫曉毅為共同第一作者,郭林教授、岳永海教授、王中長研究員為通訊作者。?? ? ?? 高性能纖維在航空航天、生物醫學、建筑和紡織等領域都具有廣泛的應用。氧化石墨烯(GO)是制造高性能碳基纖維材料的最佳選擇材料之一。當前,超強氧化石墨烯基纖維(強度>800 MPa)主要以大尺寸氧化石墨烯(平均尺寸>20 μm)或者還原氧化石墨烯為原料進行制備,上述原料的制備通常需要高溫熱處理或者需使用有毒性的氫碘酸或水合肼,不僅對環境不友好,而且存在一定的操作危險,因此,發展新的高強纖維增強策略,開發經濟、高效且環境友好的制備高性能纖維材料的方法是當前高性能纖維研究領域的熱點和難點問題。 郭林教授團隊近年來一直專注于晶體/非晶雙相增強策略的研究,2019年提出陶瓷納米纖維的晶體/非晶雙相增強策略,制備了報道時最強、最韌的氧化鋯陶瓷納米纖維(ACS Nano, 2019,13, 4191);后續通過調控材料的生長與成核,實現了非晶氧化鋯陶瓷層在羥基磷灰石納米線表面的均勻生長,并模仿合成了天然牙釉質的無機非晶間質層,制備出從原子尺度到宏觀尺度皆具有類牙釉質結構的人工牙釉質(Science,2022, 375, 551);最近又成功開發了“非晶/晶體異質相-復雜界面構筑及可控組裝”的復合材料組裝路線,實現了力學性能優異的厘米尺度GO基復合板材的可控制備(Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038s41563-022-01292-4)。

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    蘭州:石墨烯儲能材料應用技術實現新突破

    近日,蘭州大學聯合方大碳素研發的”石墨烯交聯活性炭復合膜、制備方法及超級電容器電極“正式獲國家知識產權局發明專利授權,該技術破解了傳統活性炭電極材料比容量低的難題,在新能源大容量儲能等方面有廣闊的應用前景。 石墨烯具有很強的導電性,是一種零距離的半導體,有非常好的光學性能和熱傳導功能。雖然獲得石墨烯的原料廣泛存在于自然界,但由于石墨烯的制備、分離和應用方面存在諸多科技難題,導致這一新材料量產存在較多障礙。 蘭州大學·方大炭素石墨烯研究院的科研人員首次在改性活性炭中引入石墨烯,成功生產出導電性能優異、結構穩定性高的石墨烯,解決了石墨烯規?;慨a的關鍵技術。這項新型發明獲國家知識產權局發明專利授權,標志著我國石墨烯儲能材料應用技術實現新的突破。蘭州臺報道。

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