高质量宏观石墨烯膜批量化制备

近日，武汉理工大学理学院何大平教授团队在宏观石墨烯膜的研究上取得创新性突破，提出二维纳米片静电排斥对齐策略有效实现了高质量宏观石墨烯膜的批量化制备。该研究成果以“Scalable Assembly of High Quality Graphene Films Via Electrostatic Repulsion Aligning”为题，发表在国际材料领域顶级期刊《Advanced Materials》上。团队博士研究生钱伟和傅华强为论文共同第一作者，材料科学与工程学院李宝文教授为论文共同通讯作者。

石墨烯被称为二十一世纪的新材料之王，兼具柔性、轻质及超高的导电、导热与耐腐蚀等特性，在热管理、传感器和电子器件等领域具有广泛的应用前景。为实现石墨烯材料的宏观应用，需要将其组装为高质量的宏观材料。传统的高性能宏观石墨烯膜的合成通常是以氧化石墨烯为前驱体，经过化学、高温还原及辊压等复杂工艺处理得到。相比之下，使用低缺陷的原始石墨烯作为前躯体可以有效避免复杂工艺带来的高能耗问题。然而，微观尺寸的石墨烯在宏观组装过程中产生的孔洞缺陷和无规则排列将严重降低宏观石墨烯膜的各项本征性能。

宏观石墨烯复合膜的制备表征及性能图 基于团队前期石墨烯与二维纳米材料（MOF纳米片、Mxene等）（ACS Nano， 2022， 16， 3934；iScience， 2022， 25， 105001）相互作用研究的基础上，本研究工作提出利用二维材料之间静电排斥对齐效应，通过在原始石墨烯（PG）前驱体中添加微量的高电负性二氧化钛纳米片（TiNS），实现了高度有序且致密的宏观石墨烯膜制备。研究表明，二氧化钛纳米片的高电负性改善了石墨烯浆料的分散性，从而促进了石墨烯纳米片的有序自组装。与纯石墨烯浆料组装的宏观膜相比，优化制备的宏观石墨烯膜内部微观结构缺陷显著减少，堆叠组装的石墨烯片层的取向性显著提升，使宏观石墨烯膜的各向综合性能显著提高。其中，电导率提高了近一个数量级（达到1.285×105S/m），拉伸强度提高近4倍，同时展示出优异的柔性（耐弯折超5000次）。

石墨烯的高质量、低成本宏观组装是实现其应用的关键难题，这种利用静电排斥对齐效应的策略简单有效且易实现规模化生产，对发展石墨烯等二维材料的调控、组装、制造等具有重要的科学意义与应用价值。该研究得到了清华大学南策文院士的大力支持，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。

审核编辑 ：李倩